Ce qui rend fiable un raccordement boulonné de jeux de barres

Le tracé d'un jeu de barres est en grande majorité un sujet maîtrisé. Le conducteur est dimensionné à partir d'un courant, la montée en température est vérifiée et le métal se comporte comme prévu. Les jonctions sont le point où réside l'ingénierie, et c'est là que les armoires électriques prennent feu. Une grande partie de ce qui détermine la durée de vie d'une jonction est établie dans l'atelier de fabrication avant même que la barre n'atteigne le site : la planéité des faces en regard, si le bavure a été enlevée, comment les trous ont été percés, et l'état de surface là où les deux barres se rencontrent.

La surface de contact apparente est une fiction

Deux barres de 50 mm superposées sur 70 mm donnent une surface de contact nominale de 3500 mm². Presque aucune de celle-ci ne conduit le courant.

Les surfaces réelles ne sont pas planes. Pressées l'une contre l'autre, deux barres ne touchent qu'au sommet des aspérités, et le courant ne traverse que là où ces aspérités pénètrent les couches de surface pour établir un contact métal sur métal. Ce sont les points conducteurs, universellement appelés a-spots d'après le traitement qu'en a fait Holm. Les recommandations de l'Association du cuivre pour les jeux de barres les situent à environ 1 % de la zone de recouvrement.

Les mesures sont moins flatteuses. Le travail de Braunovic sur les joints boulonnés superposés de haute puissance, publié dans IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies en 2002, a calculé le rapport de la surface conductrice réelle à la surface de contact attendue pour des joints connecteur-jeu de barres à quatre et six boulons. Sans préparation de surface, le rapport était de 0,0003 % à 0,0023 %. Usiné et lubrifié, le meilleur cas atteignait environ 4 %. Même dans le joint le mieux préparé testé, 96 % de la surface de contact était inactive.

La relation mécanique en jeu est simple : la force de contact F est liée à la surface apparente A et à la dureté H par F = ξHA, et Holm a montré que la dureté est liée à la contrainte d'écoulement par H ≈ 3σy. Un matériau plus mou s'écoule sous une pression plus faible et offre une plus grande surface de contact réelle pour une même charge de boulon, ce qui explique pourquoi l'aluminium établit facilement un contact intime et pourquoi il présente ensuite un problème de fluage.

Résistance de contraction

Le courant ne pouvant traverser qu'aux a-spots, les lignes de courant dans le métal en vrac convergent vers chaque point et divergent en sortant. Cette convergence constitue en elle-même une résistance, indépendante de toute couche de surface, et elle est appelée résistance de contraction. Pour un seul spot circulaire de rayon a entre deux métaux identiques de résistivité ρ :

Rc = ρ / 2a

Entre des métaux différents, elle devient (ρ₁ + ρ₂) / 4a. La résistance de contact totale ajoute la résistance de film Rf = σ/πa², où σ est la résistance par unité de surface de toute couche d'oxyde ou de contaminant que le courant doit traverser par effet tunnel ou frittage.

Le dénominateur est la partie importante. La résistance de contraction est proportionnelle au rayon du spot, et non à sa surface, de sorte que doubler la surface d'un spot ne réduit sa résistance de contraction que d'environ 1,4, tandis que doubler le nombre de spots la divise par deux. C'est pourquoi la préparation de surface est plus efficace que le couple de serrage des boulons : le couple augmente la taille des spots existants, la préparation en crée de nouveaux.

Le cuivre avec une résistivité de 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m pour un seul a-spot de 10 µm de rayon donne Rc = 862 µΩ pour ce spot seul. Mille spots en parallèle donneraient 0,86 µΩ. Les joints réels ont des valeurs supérieures, car les spots proches interfèrent mutuellement avec les champs de courant les uns des autres et le groupe se comporte partiellement comme une seule contraction plus large, mais l'ordre de grandeur explique pourquoi un bon joint se mesure en microhms à un chiffre.

Cibles de pression de contact

La résistance de contact diminue rapidement avec la pression de contact puis cesse de décroître. Les recommandations du CDA sont précises : au-delà d'environ 30 N/mm², l'amélioration est marginale ; en dessous de 7 N/mm² n'est pas conseillé dans la plupart des cas, et des pressions supérieures à 10 N/mm² sont préférables. Des travaux indépendants sur les connexions de jeux de barres en cuivre ont testé des plages de 6 à 36 MPa et constaté une chute de la résistance de contact d'environ 16 µΩ à 6 MPa jusqu'à environ 11 µΩ à 30 MPa, sans gain significatif au-delà.

L'objectif de conception est une plage, non une valeur maximale : entre 10 et 30 N/mm² en moyenne sur la zone de recouvrement. Il s'agit d'une plage plutôt que d'une valeur unique car la pression est très loin d'être uniforme sur toute la surface de contact.

Le couple est un indicateur du précontrainte, et un mauvais indicateur

La pression de contact ne peut pas être mesurée sur site. Elle est déduite du couple de serrage des boulons selon la formule :

T = K F D

où T est le couple en Nm, F est la force du boulon en N, D est le diamètre nominal du boulon en m, et K est le facteur de frottement de l'écrou, qui dépend de la friction des filets, de l'état de surface, du revêtement et de la lubrification. Le CDA cite des valeurs de 0,20 à 0,22 à sec, 0,19 à 0,21 avec un produit de contact, et 0,15 à 0,16 avec un lubrifiant à base de disulfure de molybdène. En appliquant ces valeurs au tableau fourni par le CDA pour une barre de 50 mm : recouvrement de 70 mm, surface de joint de 3500 mm², deux boulons M12 serrés à 45 Nm.

Même clé dynamométrique, même réglage, même opérateur. Une dispersion de 47 % sur la précontrainte, et un joint qui se retrouve soit confortablement dans la plage préférée, soit légèrement en dessous selon que les filets ont été essuyés. Ceci avant même d'envisager l'étalonnage de la clé ou le plan de serrage. Le contrôle par couple n'est pas inutile, mais utilisé seul il ne permet pas d'affirmer la valeur de la pression de contact, ce qui explique en grande partie la largeur de la plage recommandée.

Les rondelles Belleville prouvent leur utilité sur le plan thermique

La deuxième raison pour laquelle la précontrainte ne reste pas constante est la température.

IEC 61439-1 autorise un échauffement de 105 K pour des jeux de barres en cuivre nu. Une barre dans une ambiance à 35 °C peut donc légitimement atteindre 140 °C. Le boulon traversant la barre n'est ni à la même température, ni doté du même coefficient de dilatation. Le cuivre a un coefficient d'environ 16,5 × 10⁻⁶ par °C, l'acier haute résistance 11,1 × 10⁻⁶, et le bronze d'aluminium CW307G 16,2 × 10⁻⁶.

Lorsqu'un boulon en acier traverse un joint en cuivre, le cuivre se dilate plus que le boulon, de sorte que la tension du boulon augmente à mesure que le joint chauffe. Cela peut sembler avantageux, mais ce n'est pas le cas. Le CDA exige que la tension maximale du boulon, sur toute la plage de fonctionnement, reste inférieure à 95 % de la limite d'élasticité, car un boulon dépassé son seuil élastique ne reprend pas sa forme initiale, et lors du refroidissement, le joint est plus lâche qu'au départ. Soumis à ce cycle quotidiennement pendant dix ans, le joint finit par se desserrer complètement.

Deux solutions existent. La première consiste à utiliser un boulon dont la dilatation correspond à celle du cuivre, ce qui est l'argument en faveur du CW307G, avec un coefficient de 16,2 × 10⁻⁶ contre 16,5 pour le cuivre, une différence suffisamment faible pour que la tension varie à peine. La seconde consiste à conserver le boulon en acier et à intercaler une rondelle à Belleville dans l'ensemble, dimensionnée en hauteur et en raideur de manière à ce que la dilatation thermique comprime le ressort au lieu d'étirer le boulon.

Les rondelles à Belleville sont généralement vendues comme dispositifs anti-vibratoires. Ce n'est pas leur rôle ici. Elles constituent un élément de compliance qui transforme un assemblage boulonné rigide à faible débattement en un assemblage plus souple, de sorte qu'une différence de dilatation de quelques centièmes de millimètre ne se traduit pas par une grande variation de charge. Les joints de Braunovic utilisaient des rondelles plates épaisses de 3 à 4 mm, 1,4 fois le diamètre de la rondelle à Belleville, pour empêcher le bord du ressort de s'enfoncer.

Quelle préparation de surface est réellement utile

Braunovic a mesuré la résistance de contact des joints sur un matériel identique, la seule différence étant le traitement de surface. Joints à quatre et six boulons, 60 Nm, rondelles à Belleville, 150 A CC, moyenne des relevés sur une heure.

Il s'agit de connecteurs en aluminium contre des barres omnibus en aluminium, de sorte que les valeurs absolues ne sont pas directement transposables à un joint en cuivre. Les rapports sont importants. Entre une surface telle que reçue et une surface usinée et lubrifiée sur le même assemblage, la résistance de contact a diminué d'un facteur 24 pour la configuration à quatre boulons et de 70 pour celle à six boulons. Aucune intervention à la clé dynamométrique ne s'en approche.

Les surfaces usinées ont également surpassé les surfaces brossées à la meule, ce qui est attribué à la hauteur et à l'espacement uniformes des rainures d'usinage, offrant une zone portante de charge plus contrôlable. La direction de ce résultat est significative : une surface délibérément rugueuse surpasse une surface polie, car des aspérités fines pénètrent les couches d'oxyde à une charge bien inférieure à celle nécessaire pour des aspérités obtuses. Polir une surface de joint jusqu'à l'obtenir miroir est contre-productif.

Des chiffres tels que « cuivre brillant 3 à 5 µΩ, légèrement terni 15 à 25 µΩ, oxyde épais 50 à 200 µΩ » sont cités à plusieurs reprises. Aucune mesure primaire n'a pu être retracée pour ces valeurs, et une donnée de résistance de contact n'a de signification que si la géométrie du joint, le nombre de boulons et le courant de test l'accompagnent. Ils illustrent un ordre de grandeur, mais ne constituent pas des données de conception.

Métallisation : quatre options, quatre modes de défaillance différents

Le cuivre brut est la référence par défaut, et une meilleure référence qu'on ne le suppose souvent. Le cuivre s'oxyde lentement, et le film formé est semi-conducteur plutôt qu'isolant, car les ions de cuivre y diffusent et la conduction s'effectue dans les deux sens. Le CDA ne recommande pas la métallisation des joints cuivre-cuivre sauf si l'environnement l'exige, pour une raison qui peut surprendre : les matériaux de revêtement sont doux, et une couche molle peut s'écouler à chaud et réduire la pression de contact. Le cuivre brut nécessite en revanche un produit de contact pour combler les vides entre les points a et empêcher l'accès de l'oxygène et de l'humidité. Le gel de vaseline convient, et la graisse à vide en silicone fonctionne à des températures plus élevées.

L'étain est bon marché et son oxyde est facilement rompu sous pression, mais il est mou, il fluage donc sous pression constante et s'endommage facilement par fretting. L'étain pur développe des filaments (whiskers) qui peuvent provoquer des courts-circuits transitoires, de sorte que le CDA le déconseille, et les alliages étain-plomb qui résolvaient historiquement ce problème sont désormais exclus pour des raisons environnementales. Les composés intermétalliques cuivre-étain croissent à l'interface avec la température et sont plus résistifs que chacun des métaux de base, ce qui confère à l'étain le plafond de service le plus bas des quatre options.

L'argent offre les meilleures performances électriques. Son oxyde est conducteur et suffisamment mince pour être déplacé sous la pression de contact, et il résiste aux températures les plus élevées. Il est coûteux, mais inadapté aux atmosphères soufrées où le sulfure d'argent se forme facilement : papeteries, stations d'épuration, à proximité immédiate d'une raffinerie.

Le nickel est le revêtement polyvalent préféré du CDA, grâce à son faible coût, sa durabilité et sa dureté suffisante pour supporter les manipulations de pose. Le compromis porte sur les performances électriques. L'oxyde de nickel est tenace et nécessite une forte pression de contact pour être traversé, de sorte qu'un assemblage nickélé serré dans la fourchette basse n'atteindra pas ses performances. Le nickel est également défavorisé en atmosphère à forte humidité.

Les revêtements métalliques sont fins, généralement de 2 à 5 µm, et ne protègent que s'ils sont continus. Un trou de piquage en milieu corrosif est pire qu'aucun revêtement, car il concentre l'attaque.

Appairage avec l'aluminium

Le cuivre et l'aluminium en contact direct, en présence d'un quelconque électrolyte, forment une pile galvanique, et l'aluminium constitue la demi-pile sacrificielle. Les potentiels électrodes 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 enceinte sèche et étanche, l'assemblage peut durer des années ; dans toute atmosphère humide ou côtière, ce n'est pas le cas. Les correctifs, par coût croissant, sont : un produit de jointement qui étanche l'interface contre l'humidité, un étamage pour que les surfaces d'accouparent soient semblables, ou une plaque de transition bimétallique soudée par friction ou par explosion qui décale l'interface des métaux différents vers l'usine. Les différences de fabrication entre les deux métaux vont au-delà du joint.

Frettage et détente : quand de bons joints se dégradent

Deux mécanismes lents expliquent la majorité des joints qui passent la réception puis défaillent des années plus tard.

Le frettage est une endommagement de surface dû à de très faibles mouvements oscillatoires à l'interface, et les amplitudes sont surprenantes. Des déplacements inférieurs à 100 nm suffisent à le déclencher, et comme un glissement inférieur à environ 125 µm ne peut pas évacuer les débris de la zone de contact, les particules d'usure oxydées restent sur place et s'accumulent en une couche isolante épaisse. La résistance de contact augmente alors rapidement vers le circuit ouvert. L'oscillation provient des vibrations, de la dilatation thermique différentielle, ou simplement de l'échauffement et du refroidissement du joint lors des cycles de charge.

Le fluage et la détente des contraintes constituent l'autre mécanisme. Le fluage est une déformation dimensionnelle sous charge maintenue ; la détente des contraintes est une perte de pression de contact sans modification dimensionnelle, lorsque la déformation élastique se convertit en déformation plastique. Les deux dépendent du temps, de la température et des contraintes, et sont nettement plus prononcés dans l'aluminium. La comparaison du CDA établit clairement la différence : de l'aluminium 1080 recuit à 20 °C présente un taux de fluage minimal de 0,022 % par 1000 heures sous 26 N/mm², alors que le cuivre haute conductivité recuit n'atteint ce taux sous la même contrainte que lorsqu'il est chauffé à 150 °C.

C'est le problème du joint aluminium résumé en une ligne. À température ambiante, l'aluminium sous la pression de contact normale d'un jeu de barres est déjà en train de fluer à un taux que le cuivre n'atteint que bien au-delà de sa plage d'utilisation. Les assemblages boulonnés en铝 requirent des rondelles Belleville en standard plutôt qu'en option, et nécessitent des repérages de couple que les joints en cuivre ne demandent pas.

L'intervention de l'atelier de fabrication

La planéité d'abord. Braunovic attribuait la mauvaise performance des joints non frettés au mauvais alignement entre barres rigides : certaines zones supportent de fortes contraintes et se déforment plastiquement, d'autres ne se touchent à peine, et la surface portante effective se révèle faible. Une barre présentant 1 mm de vrillage sur sa longueur ne pourra pas reposer à plat contre sa voisine, quelle que soit la contrainte de serrage appliquée.

Puis les bavures. Une bavure sur le bord d'un trou poinçonné est un métal en relief qui dépasse de la surface de contact. Elle écarte les barres autour du trou, exactement là où la boulonnerie exerce sa pression, et transforme un contact en surface en un contact annulaire sur la bavure. La débavureuse BND800-2 traite des barres de 0,5 à 50 mm d'épaisseur et de 100 à 800 mm de largeur à des vitesses de 5 à 30 m/min, suffisamment rapides pour que le débavurage de chaque barre soit une décision de planification plutôt qu'un goulot d'étranglement.

La qualité des trous découle de la même opération. Un poinçonnage avec le dégagement correct laisse une paroi de trou propre et une petite bavure de sortie constante ; un dégagement excessif laisse un bord déchiré et une bavure importante. Le positionnement a aussi une importance électrique : les trous doivent être alignés le long de la jointure, car leur décalage perturbe davantage le flux de courant, et le terme dominant de l'efficacité de la jointure est la section perdue aux trous. La norme DIN 43673-1 fixe les emplacements et les dimensions des trous et constitue un meilleur point de départ qu'une norme interne.

Sur les surfaces de contact, une rugosité uniforme et contrôlée est souhaitée plutôt qu'un polissage, ainsi qu'un bord contrôlé à la limite du recouvrement, où un coin aigu constitue à la fois un concentrateur de contraintes dans la distribution de pression et un point de concentration du champ électrique. Cette seconde conséquence fait l'objet de l'article sur le chanfreinage et l'arrondi des bords de barres omnibus.

La géométrie du recouvrement est le dernier point. La pénalité de distorsion du courant au niveau d'une jointure à recouvrement, l'effet de ligne de courant, chute rapidement lorsque le rapport recouvrement/épaisseur augmente jusqu'à environ 2, puis se stabilise. Des recouvrements très longs n'apportent rien ; une longueur suffisante est nécessaire pour loger les boulons qui génèrent la pression de contact. Deux modifications de géométrie sont réalisables gratuitement au stade du poinçonnage. L'usinage des extrémités des barres à un angle inférieur à 45° réduit la résistance initiale de la jointure d'environ 15% et retarde l'augmentation de la résistance sous cyclage de courant d'un facteur de 1,3 à 1,5. Une fente longitudinale usinée dans les deux barres réduit la résistance de contact de 30 à 40%, en homogénéisant la pression sur chaque branche. Les deux opérations sont plus faciles à réaliser sur la ligne de poinçonnage et cisaillement EMAC-BP-60 qu'à expliquer a posteriori.

Une jointure dont l'efficacité est inférieure à 100% chauffe davantage que la barre environnante, et dans un arbre rempli de jointures, cette chaleur est cumulée. Le calculateur de capacité ampèrique fournit la base thermique de la barre, qui constitue le budget énergétique dans lequel les jointures doivent se maintenir.