Qué hace fiable una unión atornillada de barra colectora

El tendido de una barra colectora es, en gran medida, un problema resuelto. La barra se dimensiona a partir de una corriente, se verifica el aumento de temperatura y el metal se comporta como se espera. Los empalmes son donde reside la ingeniería, y son donde los cuadros eléctricos se incendian. Gran parte de lo que determina la vida útil de un empalme se establece en el taller de fabricación antes de que la barra llegue al sitio: la planitud de las superficies de contacto, si se eliminó el rebaba, cómo se realizaron los orificios y el estado de la superficie donde se encuentran las dos barras.

El área de contacto aparente es una ficción

Dos barras de 50 mm superpuestas en 70 mm proporcionan un área de contacto nominal de 3500 mm². Casi ninguna de ella transporta corriente.

Las superficies reales no son planas. Al presionarlas, dos barras solo tocan en los picos de aspereza, y la corriente cruza solo cuando esos picos penetran las películas superficiales hasta lograr contacto metal con metal. Estos son los puntos conductores, universalmente llamados a-spots tras el tratamiento de Holm. La guía de barras colectoras de la Copper Development Association los sitúa en el orden del 1% del área de superposición.

Las mediciones son menos favorables. El trabajo de Braunovic sobre empalmes atornillados de alta potencia superpuestos, publicado en IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies en 2002, calculó la relación entre el área de contacto conductora real y el área de contacto esperada para uniones con cuatro y seis pernos. Sin preparación de la superficie, la relación fue del 0,0003% al 0,0023%. Maquinada y lubricada, el mejor caso alcanzó aproximadamente el 4%. Incluso en el empalme mejor preparado ensayado, el 96% del área de contacto estaba inactivo.

La relación de carga subyacente es directa: la fuerza de contacto F se relaciona con el área aparente A y la dureza H como F = ξHA, y Holm demostró que la dureza se relaciona con la tensión de fluencia como H ≈ 3σy. Un material más blando cede a menor presión y proporciona más área de contacto real para la misma carga de perno, razón por la cual el aluminio logra contacto íntimo fácilmente y por la cual el aluminio luego tiene un problema de fluencia.

Resistencia de constricción

Dado que la corriente solo puede cruzar en los a-spots, las líneas de corriente en el metal bulk convergen hacia cada punto y divergen de él. Esa convergencia es una resistencia por sí misma, independiente de cualquier película superficial, y se llama resistencia de constricción. Para un solo punto circular de radio a entre dos metales idénticos de resistividad ρ:

Rc = ρ / 2a

Entre metales diferentes se convierte en (ρ₁ + ρ₂) / 4a. La resistencia total de contacto suma la resistencia de película Rf = σ/πa², donde σ es la resistencia por unidad de área de cualquier película de óxido o contaminante que la corriente deba tunelizar o sinterizar.

El denominador es la parte importante. La resistencia de constricción escala con el radio del punto, no con el área, por lo que duplicar el área de un punto solo reduce su resistencia de constricción en un factor de aproximadamente 1,4, mientras que duplicar el número de puntos la reduce a la mitad. Por esta razón, la preparación de la superficie es un palanca más efectiva que el torque del perno: el torque amplía los puntos existentes, la preparación crea nuevos.

El cobre a 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m con un solo a-spot de radio 10 µm da Rc = 862 µΩ para ese punto solo. Un mil en paralelo daría 0,86 µΩ. Los empalmes reales están por encima de esto, porque los puntos espaciados estrechamente interfieren con los campos de corriente de los demás y el grupo se comporta parcialmente como una constricción más grande, pero el orden de magnitud explica por qué un buen empalme se mide en microohmios de un solo dígito.

Objetivos de presión de contacto

La resistencia de contacto disminuye drásticamente con la presión de contacto y luego deja de hacerlo. La guía del CDA es específica: por encima de aproximadamente 30 N/mm² hay poca mejora adicional, por debajo de 7 N/mm² no es aconsejable en la mayoría de los casos, y se prefieren presiones superiores a 10 N/mm². Trabajos independientes sobre conexiones de barras colectoras de cobre probaron de 6 a 36 MPa y encontraron que la resistencia de contacto disminuyó de aproximadamente 16 µΩ a 6 MPa a aproximadamente 11 µΩ a 30 MPa, sin ganancia significativa más allá.

El objetivo de diseño es una banda, no un máximo: en algún lugar entre 10 y 30 N/mm² promediado sobre la superposición. Es una banda y no un número porque la presión no es uniforme en toda la superposición.

El par es un proxy para la precarga, y uno deficiente

La presión de contacto no se puede medir en campo. Se infiere del par de apriete del perno mediante:

T = K F D

donde T es el par en Nm, F es la fuerza del perno en N, D es el diámetro nominal del perno en m, y K es el factor de tuerca, que depende de la fricción de la rosca, el acabado superficial, la galvanización y el estado de lubricación. El CDA cita de 0.20 a 0.22 en seco, de 0.19 a 0.21 con un compuesto de ayuda al contacto, y de 0.15 a 0.16 con un lubrificante límite de disulfuro de molibdeno. Operando con la propia disposición tabulada del CDA para una barra de 50 mm: 70 mm de superposición, 3500 mm² de área de unión, dos pernos M12 a 45 Nm.

La misma llave de par, la misma configuración, el mismo operador. Una dispersión del 47% en la precarga, y una unión que cae cómodamente dentro de la banda preferida o ligeramente por debajo de ella dependiendo de si se limpiaron las roscas. Esto es antes de la calibración de la llave o la secuencian de apriete de pernos. El control de par no es inútil, pero por sí solo proporciona una unión para la cual no se puede afirmar una presión de contacto, que es gran parte de la razón por la que la banda recomendada es tan amplia.

Las arandelas Belleville ganan su lugar térmicamente

La segunda razón por la que la precarga no permanece donde se aplica es la temperatura.

IEC 61439-1 permite un aumento de temperatura de 105 K en barras colectoras de cobre desnudas, por lo que una barra en un ambiente de 35 °C puede legítimamente estar a 140 °C. El perno que la atraviesa no está a la misma temperatura ni tiene el mismo coeficiente de expansión. El cobre se expande a aproximadamente 16.5 × 10⁻⁶ por °C, el acero de alta resistencia a 11.1 × 10⁻⁶, y el bronce de aluminio CW307G a 16.2 × 10⁻⁶.

Con un tornillo de acero en una unión de cobre, el cobre se dilata más que el tornillo, por lo que la tensión del tornillo aumenta cuando la unión se calienta. Esto parece útil, pero no lo es. El CDA exige que la tensión máxima del tornillo en todo el rango de trabajo se mantenga por debajo del 95% del límite elástico, porque un tornillo que supera la deformación plástica no recupera su forma, y al enfriarse la unión queda más floja que al inicio. Si se cicla diariamente durante diez años, la unión se afloja por completo.

Existen dos soluciones. Una es usar un tornillo cuya expansión coincida con la del cobre, que es el argumento para el CW307G con 16.2 × 10⁻⁶ frente a los 16.5 del cobre, una diferencia lo suficientemente pequeña como para que la tensión apenas varíe. La otra es mantener el tornillo de acero y colocar una arandela de muelle Belville en el apilado, dimensionada en altura y rigidez de muelle de modo que la expansión térmica comprima el muelle en lugar de estirar el tornillo.

Las arandelas de muelle Belville se venden habitualmente como medida antivibración. Esa no es su función aquí. Son un elemento de flexibilidad que convierte una unión atornillada rígida y de poco recorrido en una más blanda, de modo que unas centésimas de milímetro de expansión diferencial no se conviertan en un gran cambio de carga. Las uniones de Braunovic usaron arandelas planas gruesas de 3 a 4 mm, 1.4 veces el diámetro de la arandela de muelle, para evitar que el borde del muelle se clave.

¿Qué preparación de superficie realmente vale la pena?

Braunovic midió la resistencia de contacto de la unión en herramientas idénticas sin cambiar nada más que el tratamiento superficial. Uniones de cuatro y seis pernos, 60 Nm, arandelas de muelle, 150 A CC, media de las lecturas durante una hora.

Estos son tacos de conexiones de aluminio contra barras colectoras de aluminio, por lo que los valores absolutos no se pueden trasladar a una unión de cobre. Lo importante son las relaciones. Entre una superficie tal cual y una maquinada y lubricada en la misma herramientía, la resistencia de contacto disminuyó en un factor de 24 en la configuración de cuatro pernos y de 70 en la de seis pernos. Ninguna acción con una llave de torque se acerca a eso.

Las superficies maquinadas también superaron a las cepilladas, atribuido a la altura y separación uniformes de las serraciones de mecanizado, que proporcionan una zona de carga más controlable. La dirección de este resultado es notable: una superficie intencionalmente áspera supera a una pulida suavemente, porque las asperezas afiladas penetran las películas de óxido con mucha menos carga que las romas. Pulir una cara de unión hasta un acabado espejo es contraproducente.

Se citan cifras como "cobre brillante 3 a 5 µΩ, oxidación ligera 15 a 25 µΩ, óxido pesado 50 a 200 µΩ" en varias fuentes. No se pudo rastrear una medición primaria para estos valores, y una cifra de resistencia de contacto no significa nada sin la geometría de la unión, el número de pernos y la corriente de prueba adjuntos. Ilustran el orden, no son datos de diseño.

Galvanizado: cuatro opciones, cuatro modos de fallo diferentes

El cobre desnudo es el valor predeterminado, y un mejor valor predeterminado de lo que a menudo se asume. El cobre se oxida lentamente, y la película que se forma es semiconductora en lugar de aislante, porque los iones de cobre se difunden en ella y la conducción se produce en ambas direcciones. El CDA no recomienda galvanizar uniones de cobre con cobre a menos que el entorno lo exija, por una razón que puede ser sorprendente: los materiales de galvanizado son blandos, y una capa blanda puede fluir cuando está caliente y reducir la presión de contacto. El cobre desnudo necesita un compuesto de contacto para rellenar los vacíos entre los puntos de contacto y mantener fuera el oxígeno y la humedad. La vaselina funciona, y la grasa de vacío de silicona funciona a temperaturas más altas.

El estaño es barato y su óxido se rompe fácilmente bajo presión, pero es blando, por lo que fluye bajo presión sostenida y se daña fácilmente por fretting. El estaño puro crece filamentos que pueden causar cortocircuitos transitorios, por lo que el CDA desaconseja su uso, y las aleaciones de estaño-plomo que históricamente resolvieron eso ahora están prohibidas por razones ambientales. Los intermetálicos de cobre-estaño crecen en la interfaz con la temperatura y son más resistentes que cualquiera de los metales base, por lo que el estaño tiene el techo de servicio más bajo de los cuatro.

La plata es el mejor material conductor. Su óxido es conductor y lo bastante fino para ser desplazado bajo presión de contacto, y resiste a las temperaturas más altas. Es costosa, pero resulta inapropiada en atmósferas con azufre, donde se forma con facilidad sulfuro de plata: papeleras, plantas de tratamiento de aguas residuales, cualquier lugar cercano a una refinería.

El níquel es el recubrimiento de propósito general preferido por la CDA, ya que es barato, duradero y lo bastante duro para resistir el manejo durante la instalación. La compensación es eléctrica. El óxido de níquel es resistente y requiere alta presión de contacto para romperse, por lo que una unión niquelada ensamblada en el límite inferior del rango de contacto no funcionará, y el níquel rinde mal en ambientes de alta humedad.

Los recubrimientos metálicos son delgados, típicamente 2 a 5 µm, y solo protegen si son continuos. Un pinhole en un entorno corrosivo es peor que no tener recubrimiento, porque concentra la corrosión.

Emparejamiento con aluminio

El cobre y el aluminio en contacto directo con cualquier electrolito presente forman una celda galvánica, y el aluminio es el ánodo de sacrificio. Los potenciales de electrodo estándar son +0.34 V para el cobre y −1.66 V para el aluminio, medidos contra el electrodo estándar de hidrógeno. En un gabinete seco y cerrado, la unión puede durar años; en cualquier ambiente húmedo o costero, no. Las soluciones, en orden creciente de costo, son: un compuesto de unión que selle la interfaz contra la humedad, un recubrimiento de estaño para que las superficies de contacto sean del mismo tipo, o una placa bimetálica de transición soldada por fricción o por explosión que traslada la interfaz de metales disímiles a la fábrica. Las diferencias de fabricación entre los dos metales van más allá de la unión.

Fretting y relajación: cómo se degradan las buenas uniones

Dos mecanismos lentos explican la mayoría de las uniones que pasan la puesta en marcha y fallan años después.

El fretting es un daño superficial causado por un movimiento oscilatorio muy pequeño en la interfaz, y las amplitudes son asombrosamente pequeñas. Desplazamientos menores de 100 nm son suficientes para iniciarlo, y como el deslizamiento por debajo de aproximadamente 125 µm no puede arrastrar las partículas desprendidas fuera de la zona de contacto, las partículas de desgaste oxidadas permanecen y se acumulan en un cuerpo aislante externo de gran espesor. La resistencia de contacto entonces aumenta bruscamente hacia un circuito abierto. La oscilación proviene de vibraciones, de la dilatación térmica diferencial, o simplemente del calentamiento y enfriamiento de la unión al variar la carga.

La fluencia y la relajación de esfuerzos son el otro mecanismo. La fluencia es un cambio dimensional bajo carga sostenida; la relajación de esfuerzos es la pérdida de presión de contacto sin cambio dimensional, a medida que la deformación elástica se convierte en plástica. Ambas dependen del tiempo, la temperatura y el esfuerzo, y ambas son notablemente peores en el aluminio. La comparación de la CDA lo expresa con claridad: aluminio 1080 recocido a 20 °C muestra una velocidad mínima de fluencia del 0.022% por 1000 horas a 26 N/mm², mientras que el cobre de alta conductividad recocido solo alcanza esa velocidad al mismo esfuerzo cuando se calienta a 150 °C.

Ese es el problema de la unión de aluminio en una línea. A temperatura ambiente, el aluminio bajo la presión de contacto normal de una barra colectora ya está fluyendo a una velocidad que el cobre no alcanza hasta estar muy por encima de su rango de servicio. Las uniones atornilladas de aluminio requieren arandelas elásticas como práctica estándar y no como opcional, y requieren programas de re-apriete que las uniones de cobre no necesitan.

El papel del taller de fabricación

La planitud en primer lugar. Braunovic atribuyó el mal rendimiento de las ranuras de unión a la desalineación entre barras rígidas: algunas regiones soportan alto esfuerzo y ceden, otras apenas tocan, y el área de carga resulta pequeña. Una barra con 1 mm de torsión a lo largo de su longitud no descansará plana contra su vecina sin importar el par de apriete aplicado.

Luego están las rebabas. Una rebaba en el borde de un agujero perforado es un metal elevado que sobresale de la superficie de contacto. Mantiene las barras separadas alrededor del agujero, exactamente donde el perno ejerce su presión, y convierte el contacto superficial en un anular de contacto sobre la rebaba. La máquina desbavilladora BND800-2 procesa barras de 0.5 a 50 mm de espesor y 100 a 800 mm de ancho a velocidades de 5 a 30 m/min, suficientemente rápido para que el desbavillado de cada barra sea una decisión de programación y no un cuello de botella.

La calidad de los agujeros es consecuencia de la misma operación. La perforación con la holgura correcta deja una pared de agujero limpia y una rebaba de salida pequeña y consistente; una holgura excesiva deja un borde rasgado y una rebaba grande. La ubicación también importa eléctricamente: los agujeros deben colocarse en línea a lo largo de la unión, ya que desplazarlos altera aún más el flujo de corriente, y el término dominante en la eficiencia de la unión es la sección transversal perdida por los agujeros. DIN 43673-1 fija las ubicaciones y tamaños de los agujeros y es un mejor punto de partida que un estándar interno.

En las superficies de contacto se busca una rugosidad uniforme y controlada en lugar de un pulido, y un borde controlado en el límite de la superposición, donde una esquina aguda es tanto un concentrador de esfuerzos en la distribución de presión como un punto de concentración de campo. Esta segunda consecuencia es el tema de chaflanado y radio de borde de barras colectoras.

La geometría de superposición es el último factor. La penalización de distorsión de corriente en una unión superpuesta, el efecto de línea de corriente, disminuye rápidamente a medida que la relación de superposición respecto al espesor aumenta hasta aproximadamente 2 y luego se estabiliza. Superposiciones muy largas no aportan nada; se necesita una longitud suficiente para acomodar los pernos que generan la presión de contacto. Dos cambios de geometría son gratuitos en la etapa de perforación. Inclinar los extremos de las barras en menos de 45° reduce la resistencia inicial de la unión en aproximadamente un 15% y ralentiza el aumento de la resistencia bajo ciclos de corriente en un factor de 1.3 a 1.5. Una ranura longitudinal cortada en ambas barras reduce la resistencia de contacto en un 30 a 40%, al uniformizar la presión a lo largo de cada patas. Ambos son más económicos de realizar en la línea de perforación y cizallado que de explicar después.

Una unión con eficiencia inferior al 100% se calienta más que la barra que la rodea, y en un tablero lleno de uniones ese calor es acumulativo. La calculadora de capacidad ampérica proporciona la línea base térmica de la barra, que es el presupuesto térmico dentro del cual deben funcionar las uniones.