Ce qui rend fiable un raccordement boulonné de jeux de barres

Une liaison par jeux de barres est pour l'essentiel un problème résolu. La barre est dimensionnée à partir d'un courant, l'échauffement est vérifié, et le métal fait ce que fait le métal. C'est dans les raccordements que se trouve l'ingénierie réelle, et c'est là que les tableaux brûlent. Une grande part de ce qui décide de la durée de service d'un raccordement se joue à l'atelier de fabrication, avant que la barre n'arrive sur site : la planéité des faces en contact, le fait que la bavure ait été retirée ou non, la manière dont les trous ont été réalisés, et l'aspect de la surface là où les deux barres se toucheront.

L'aire de contact apparente est une fiction

Deux barres de 50 mm recouvertes sur 70 mm donnent une aire de contact nominale de 3500 mm². Presque rien de cette aire ne transporte du courant.

Les surfaces réelles ne sont pas planes. Pressées l'une contre l'autre, deux barres ne se touchent qu'aux sommets des aspérités, et le courant ne traverse que là où ces sommets ont percé les films de surface pour établir un contact métal-métal. Ce sont les points conducteurs, universellement appelés a-spots depuis le traitement qu'en a fait Holm. Le guide sur les jeux de barres de la Copper Development Association les situe à l'ordre de 1 % de l'aire de recouvrement.

Les mesures sont moins flatteuses. Les travaux de Braunovic sur les raccordements boulonnés à recouvrement de forte puissance, publiés dans IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies en 2002, ont calculé le rapport entre aire conductrice réelle et aire de contact attendue pour des raccordements connecteur-barre à quatre et six boulons. Sans préparation de surface, le rapport ressortait entre 0,0003 % et 0,0023 %. Usinées et lubrifiées, les surfaces atteignaient au mieux environ 4 %. Même dans le raccordement le mieux préparé de l'essai, 96 % de l'aire de contact ne servait à rien.

La relation porteuse sous-jacente est simple : l'effort de contact F se relie à l'aire apparente A et à la dureté H par F = ξHA, et Holm a montré que la dureté se relie à la limite d'élasticité par H ≈ 3σy. Un matériau plus tendre s'écoule à plus faible pression et donne plus d'aire de contact réelle pour la même charge de boulon — c'est pourquoi l'aluminium établit facilement un contact intime, et pourquoi l'aluminium a ensuite un problème de fluage.

La résistance de constriction

Comme le courant ne peut traverser qu'aux a-spots, les lignes de courant dans la masse du métal convergent vers chaque point puis divergent en sortant. Cette convergence constitue une résistance à part entière, indépendante de tout film de surface : on l'appelle résistance de constriction. Pour un point circulaire unique de rayon a entre deux métaux identiques de résistivité ρ :

Rc = ρ / 2a

Entre métaux différents, elle devient (ρ₁ + ρ₂) / 4a. La résistance de contact totale y ajoute la résistance de film Rf = σ/πa², où σ est la résistance par unité d'aire du film d'oxyde ou de contaminant que le courant doit franchir par effet tunnel ou par claquage local.

Le dénominateur est la partie importante. La résistance de constriction varie avec le rayon du point, non avec son aire : doubler l'aire d'un point ne réduit donc sa résistance de constriction que d'un facteur 1,4 environ, alors que doubler le nombre de points la divise par deux. C'est pourquoi la préparation de surface l'emporte sur le couple de serrage comme levier : le couple agrandit les points existants, la préparation en crée de nouveaux.

Chiffrons. Du cuivre à 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m avec un a-spot de 10 µm de rayon donne Rc = 862 µΩ pour ce seul point. Mille points en parallèle donneraient 0,86 µΩ. Les raccordements réels se situent au-dessus, car des points rapprochés interfèrent entre eux par leurs champs de courant et l'amas se comporte en partie comme une constriction unique plus large — mais l'ordre de grandeur explique pourquoi un bon raccordement se mesure en microhms à un chiffre.

Les pressions de contact visées

La résistance de contact chute fortement avec la pression de contact, puis cesse de chuter. Le guide de la CDA est précis : au-delà d'environ 30 N/mm², l'amélioration est faible ; en dessous de 7 N/mm², c'est déconseillé dans la plupart des cas ; et les pressions supérieures à 10 N/mm² sont préférées. Des travaux indépendants sur les raccordements de jeux de barres en cuivre ont exploré 6 à 36 MPa et trouvé une résistance de contact passant d'environ 16 µΩ à 6 MPa à environ 11 µΩ à 30 MPa, sans gain significatif au-delà.

La cible de conception est donc une plage, non un maximum : quelque part entre 10 et 30 N/mm² en moyenne sur le recouvrement. C'est une plage plutôt qu'une valeur parce que la pression est loin d'être uniforme sur le recouvrement.

Le couple est un indicateur de précharge, et un mauvais

La pression de contact ne se mesure pas sur site. On la déduit du couple de serrage par :

T = K F D

où T est le couple en Nm, F l'effort dans le boulon en N, D le diamètre nominal du boulon en m, et K le coefficient de couple, qui dépend du frottement dans le filet, de l'état de surface, du revêtement et de l'état de lubrification. La CDA indique 0,20 à 0,22 à sec, 0,19 à 0,21 avec une pâte de contact, et 0,15 à 0,16 avec un lubrifiant limite au bisulfure de molybdène. Appliquez cela à la disposition tabulée par la CDA elle-même pour une barre de 50 mm : recouvrement de 70 mm, aire de raccordement de 3500 mm², deux boulons M12 à 45 Nm.

Même clé dynamométrique, même réglage, même monteur. Un écart de 47 % sur la précharge, et un raccordement qui se place soit confortablement dans la plage préférée, soit légèrement en dessous, selon que quelqu'un a essuyé les filets ou non. Et cela avant même de parler d'étalonnage de la clé ou d'ordre de serrage. Le contrôle par le couple n'est pas inutile, mais seul, il vous donne un raccordement pour lequel vous ne pouvez revendiquer aucune pression de contact — ce qui explique en grande partie pourquoi la plage recommandée est si large.

Les rondelles Belleville se justifient thermiquement

La seconde raison pour laquelle la précharge ne reste pas là où vous l'avez mise, c'est la température.

La norme IEC 61439-1 admet un échauffement de 105 K sur les jeux de barres en cuivre nu : une barre dans une ambiante de 35 °C peut donc légitimement se trouver à 140 °C. Le boulon qui la traverse n'est ni à la même température, ni du même coefficient de dilatation. Le cuivre est à environ 16,5 × 10⁻⁶ par °C, l'acier à haute résistance à 11,1 × 10⁻⁶, le bronze d'aluminium CW307G à 16,2 × 10⁻⁶.

Avec un boulon acier traversant un raccordement en cuivre, le cuivre croît plus vite que le boulon : la tension du boulon augmente donc à mesure que le raccordement chauffe. Cela paraît utile et ne l'est pas. La CDA exige que la tension maximale du boulon, en tout point de la plage de fonctionnement, reste inférieure à 95 % de la contrainte d'épreuve, car un boulon mené au-delà de sa limite d'élasticité ne revient pas, et au refroidissement le raccordement est plus lâche qu'au départ. Répétez ce cycle chaque jour pendant dix ans, et le raccordement se relâche jusqu'à ne plus rien serrer.

Deux issues. Utiliser un boulon dont la dilatation s'accorde à celle du cuivre — c'est l'argument du CW307G à 16,2 × 10⁻⁶ face aux 16,5 du cuivre, un écart assez faible pour que la tension bouge à peine. Ou conserver le boulon acier et insérer une rondelle-ressort conique dans l'empilage, dimensionnée en hauteur et en raideur pour que la dilatation différentielle comprime le ressort au lieu d'étirer le boulon.

Les rondelles Belleville sont généralement vendues comme dispositif anti-desserrage sous vibration. Ce n'est pas leur rôle ici. Ce sont des éléments de souplesse qui transforment un raccordement boulonné raide et à faible course en un raccordement plus souple, de sorte que quelques centièmes de millimètre de dilatation différentielle ne se traduisent pas par une forte variation de charge. Les raccordements de Braunovic employaient d'épaisses rondelles plates de 3 à 4 mm, de diamètre 1,4 fois celui de la rondelle-ressort, pour empêcher l'arête du ressort de marquer la matière.

Ce que vaut réellement la préparation de surface

Braunovic a mesuré la résistance de contact d'un raccordement sur une visserie identique, sans rien changer d'autre que le traitement de surface. Raccordements à quatre et six boulons, 60 Nm, rondelles-ressorts coniques, 150 A DC, moyenne des relevés sur une heure.

Il s'agit de plages de connecteur en aluminium contre barre en aluminium : ne transposez donc pas les valeurs absolues sur un raccordement en cuivre. Ce sont les rapports qui comptent. Entre une surface brute de livraison et une surface usinée et lubrifiée, sur la même visserie, la résistance de contact a chuté d'un facteur 24 en configuration quatre boulons et 70 en six boulons. Rien de ce que vous pouvez faire avec une clé dynamométrique n'en approche.

Les surfaces usinées ont aussi surpassé les surfaces brossées à la brosse métallique, ce qui est attribué à la hauteur et à l'espacement uniformes des stries d'usinage, donnant une aire porteuse plus maîtrisable. Notez le sens de ce résultat : une surface volontairement rugueuse l'emporte sur une surface poliement lisse, car des aspérités vives percent les films d'oxyde sous une charge bien plus faible que des aspérités émoussées. Polir une face de raccordement jusqu'au miroir est contre-productif.

Vous verrez aussi circuler, en plusieurs endroits, les valeurs « cuivre brillant 3 à 5 µΩ, ternissure légère 15 à 25 µΩ, oxyde épais 50 à 200 µΩ ». Nous n'avons pas pu les rattacher à une mesure primaire, et une valeur de résistance de contact ne signifie rien sans la géométrie du raccordement, le nombre de boulons et le courant d'essai qui l'accompagnent. Traitez-les comme une illustration de l'ordre de grandeur relatif, pas comme des données de conception.

Revêtement : quatre options, quatre modes de défaillance différents

Le cuivre nu est la solution par défaut, et une meilleure solution par défaut que la plupart ne le supposent. Le cuivre s'oxyde lentement, et le film qui se forme est semi-conducteur plutôt qu'isolant, car les ions cuivre y diffusent et la conduction s'établit dans les deux sens. La CDA ne recommande pas de revêtir les raccordements cuivre-cuivre à moins que l'environnement ne l'exige, pour une raison qui surprend : les matériaux de revêtement sont tendres, et une couche tendre peut fluer à chaud et réduire la pression de contact. Le cuivre nu a en revanche besoin d'une pâte de contact pour combler les vides entre les a-spots et tenir l'oxygène et l'humidité à l'écart. La vaseline convient, et la graisse silicone pour vide convient à plus haute température.

L'étain est bon marché et son oxyde se rompt facilement sous pression, mais il est tendre : il flue donc sous pression soutenue et s'endommage aisément en fretting. L'étain pur développe des whiskers susceptibles de provoquer des courts-circuits fugitifs, si bien que la CDA le déconseille, et les alliages étain-plomb qui résolvaient historiquement ce problème ne sont plus envisageables pour des raisons environnementales. Les intermétalliques cuivre-étain croissent à l'interface avec la température et sont plus résistifs que l'un ou l'autre métal de base, ce qui donne à l'étain le plafond de service le plus bas des quatre.

L'argent est le meilleur sur le plan électrique. Son oxyde est conducteur et assez mince pour être déplacé sous la pression de contact, et il tient aux températures les plus élevées. Il est cher, et il est à proscrire dans les atmosphères soufrées où le sulfure d'argent se forme volontiers : papeteries, stations d'épuration, tout ce qui est proche d'une raffinerie.

Le nickel est le revêtement polyvalent que préfère la CDA : bon marché, durable et assez dur pour survivre à la manutention de montage. Le compromis est électrique. L'oxyde de nickel est tenace et demande une forte pression de contact pour être percé : un raccordement nickelé assemblé au bas de la plage ne donnera pas satisfaction, et le nickel se comporte mal en forte humidité.

Les revêtements métalliques sont minces, typiquement de 2 à 5 µm, et ne protègent que s'ils sont continus. En milieu corrosif, un trou d'épingle est pire que l'absence de revêtement, car il concentre l'attaque.

L'association avec l'aluminium

Le cuivre et l'aluminium en contact direct, en présence d'un électrolyte quelconque, forment une pile galvanique dont l'aluminium est la moitié sacrificielle. Les potentiels d'électrode standard sont de +0,34 V pour le cuivre et de −1,66 V pour l'aluminium par rapport à l'électrode standard à hydrogène. Dans une armoire intérieure sèche et étanche, vous pouvez vous en tirer pendant des années ; dans un environnement humide ou côtier, non. Les remèdes, par coût croissant, sont une pâte de jointoiement qui isole l'interface de l'humidité, un étamage pour que les surfaces en contact soient de même nature, ou une plaque de transition bimétallique soudée par friction ou par explosion, qui déplace l'interface bimétallique en usine. Les différences de fabrication entre les deux métaux vont bien au-delà du raccordement.

Fretting et relaxation : comment un bon raccordement se dégrade

Deux mécanismes lents expliquent la plupart des raccordements qui passent la mise en service et défaillent des années plus tard.

Le fretting est l'endommagement de surface produit par un très faible mouvement oscillatoire à l'interface, et les amplitudes en jeu sont étonnamment petites. Des déplacements inférieurs à 100 nm suffisent à l'amorcer, et comme un glissement inférieur à environ 125 µm ne peut pas évacuer les débris hors de la zone de contact, les particules d'usure oxydées restent en place et s'accumulent en un troisième corps isolant épais. La résistance de contact monte alors brutalement vers le circuit ouvert. L'oscillation provient des vibrations, de la dilatation thermique différentielle, ou simplement du chauffage et du refroidissement du raccordement au gré des cycles de charge.

Le fluage et la relaxation de contrainte sont l'autre mécanisme. Le fluage est un changement dimensionnel sous charge soutenue ; la relaxation de contrainte est une perte de pression de contact sans changement dimensionnel, la déformation élastique se convertissant en déformation plastique. Les deux dépendent du temps, de la température et de la contrainte, et les deux sont nettement plus marqués dans l'aluminium. La comparaison de la CDA énonce la différence sans détour : l'aluminium 1080 recuit à 20 °C présente une vitesse de fluage minimale de 0,022 % par 1000 heures sous 26 N/mm², alors que le cuivre recuit à haute conductivité n'atteint cette vitesse, à contrainte égale, que porté à 150 °C.

Voilà le problème du raccordement aluminium en une ligne. À température ambiante, l'aluminium soumis à une pression de contact normale de jeux de barres flue déjà à une vitesse que le cuivre n'atteint que bien au-delà de sa plage de service. Les raccordements boulonnés en aluminium exigent des rondelles-ressorts coniques comme pratique courante et non comme option, et ils exigent des plans de resserrage dont les raccordements en cuivre se passent.

Là où intervient l'atelier de fabrication

La planéité d'abord. Braunovic attribuait la mauvaise performance des raccordements sans lumière à un défaut d'alignement entre barres rigides : certaines zones supportent une contrainte élevée et s'écoulent, d'autres se touchent à peine, et l'aire porteuse finit petite. Une barre présentant 1 mm de vrillage sur sa longueur ne reposera pas à plat contre sa voisine, quel que soit le couple appliqué.

Les bavures ensuite. La bavure au bord d'un trou poinçonné est du métal soulevé qui dépasse de la face de contact. Elle écarte les barres autour du trou, exactement là où le boulon applique sa pression, et transforme un contact de face en contact annulaire sur la bavure. La machine d'ébavurage BND800-2 traite la barre de 0,5 à 50 mm d'épaisseur et de 100 à 800 mm de largeur à 5 à 30 m/min, assez vite pour qu'ébavurer chaque barre relève d'une décision d'ordonnancement et non d'un goulot d'étranglement.

La qualité du trou découle de la même opération. Le poinçonnage avec le jeu correct laisse une paroi de trou propre et une petite bavure de sortie régulière ; un jeu excessif laisse un bord déchiré et une grosse bavure. L'implantation compte aussi électriquement : les trous doivent être alignés le long du raccordement, car les décaler perturbe davantage l'écoulement du courant, et le terme dominant du rendement du raccordement reste la section perdue par les trous. La norme DIN 43673-1 fixe les positions et les diamètres de trous et constitue un meilleur point de départ qu'une norme maison.

Sur les faces en contact, vous voulez une rugosité uniforme et maîtrisée plutôt qu'un poli, et une arête maîtrisée à la limite du recouvrement, où un angle vif est à la fois un concentrateur de contrainte dans la répartition de pression et un point de concentration de champ. Cette seconde conséquence fait l'objet de l'article sur le chanfreinage et le rayon d'arête des barres.

La géométrie du recouvrement vient en dernier. La pénalité de distorsion du courant à un raccordement à recouvrement — l'effet de resserrement des lignes de courant — décroît rapidement lorsque le rapport recouvrement/épaisseur monte vers 2 environ, puis s'aplatit. Les recouvrements très longs n'apportent rien ; il vous faut seulement la longueur nécessaire pour loger les boulons qui génèrent la pression de contact. Deux modifications de géométrie sont gratuites au stade du poinçonnage. Chanfreiner les extrémités de barre à moins de 45° réduit la résistance initiale du raccordement d'environ 15 % et ralentit d'un facteur 1,3 à 1,5 la montée en résistance sous cyclage de courant. Une lumière longitudinale usinée dans les deux barres réduit la résistance de contact de 30 à 40 %, en uniformisant la pression sur chaque branche. Les deux coûtent moins cher à réaliser sur la ligne de poinçonnage et de cisaillage qu'à expliquer après coup.

Un raccordement dont le rendement est inférieur à 100 % chauffe plus que la barre qui l'entoure, et dans une armoire pleine de raccordements cette chaleur se cumule. Le calculateur d'intensité admissible donne la base thermique de la barre, c'est-à-dire le budget à l'intérieur duquel les raccordements doivent tenir.