Che cosa rende affidabile una giunzione bullonata di sbarre

Una tratta di sbarre è, in larga parte, un problema risolto. La barra si dimensiona a partire da una corrente, si verifica la sovratemperatura e il metallo fa quello che fa il metallo. L'ingegneria vera sta nelle giunzioni, ed è lì che i quadri bruciano. Buona parte di ciò che decide la vita in servizio di una giunzione viene fissata in officina prima che la barra arrivi in cantiere: quanto sono piane le facce che si accoppieranno, se la bava è stata tolta, come sono stati fatti i fori e che aspetto ha la superficie nel punto in cui le due barre si toccheranno.

L'area di contatto apparente è una finzione

Due barre da 50 mm sovrapposte per 70 mm danno un'area nominale di contatto di 3500 mm². Quasi nulla di essa porta corrente.

Le superfici reali non sono piane. Premute l'una contro l'altra, due barre si toccano solo sui picchi di rugosità, e la corrente passa solo dove quei picchi hanno perforato i film superficiali fino al contatto metallo-metallo. Sono i punti conduttori, universalmente chiamati a-spot dopo la trattazione che ne diede Holm. La guida sulle sbarre della Copper Development Association li colloca nell'ordine dell'1% dell'area di sovrapposizione.

Le misure sono meno lusinghiere. Il lavoro di Braunovic sulle giunzioni bullonate sovrapposte di potenza, pubblicato su IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies nel 2002, ha calcolato il rapporto fra area conduttrice reale e area di contatto attesa per giunzioni connettore-sbarra a quattro e a sei bulloni. Senza alcuna preparazione superficiale il rapporto è risultato fra lo 0,0003% e lo 0,0023%. Con superficie lavorata di macchina e lubrificata, il caso migliore ha raggiunto circa il 4%. Anche nella giunzione meglio preparata fra quelle provate, il 96% dell'area di contatto non faceva nulla.

La relazione di carico che sta dietro è semplice: la forza di contatto F si lega all'area apparente A e alla durezza H come F = ξHA, e Holm ha mostrato che la durezza si lega al carico di snervamento come H ≈ 3σy. Un materiale più tenero snerva a pressione più bassa e dà più area di contatto reale a parità di carico del bullone: per questo l'alluminio realizza con facilità un contatto intimo, e per questo l'alluminio ha poi un problema di scorrimento viscoso.

Resistenza di costrizione

Poiché la corrente può passare solo attraverso gli a-spot, nel metallo massivo le linee di corrente convergono verso ciascun punto e ne divergono in uscita. Quella convergenza è di per sé una resistenza, indipendente da qualunque film superficiale, e si chiama resistenza di costrizione. Per un singolo punto circolare di raggio a fra due metalli identici di resistività ρ:

Rc = ρ / 2a

Fra metalli diversi diventa (ρ₁ + ρ₂) / 4a. La resistenza di contatto totale aggiunge la resistenza di film Rf = σ/πa², dove σ è la resistenza per unità di area del film di ossido o di contaminante che la corrente deve attraversare per effetto tunnel o per rottura localizzata.

Il denominatore è la parte importante. La resistenza di costrizione scala con il raggio del punto, non con la sua area, quindi raddoppiare l'area di un punto ne riduce la resistenza di costrizione solo di un fattore 1,4 circa, mentre raddoppiare il numero dei punti la dimezza. È per questo che la preparazione superficiale è una leva migliore della coppia di serraggio: la coppia fa crescere i punti che già ci sono, la preparazione ne crea di nuovi.

Mettiamoci un numero. Il rame a 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m con un a-spot di 10 µm di raggio dà Rc = 862 µΩ per quel solo punto. Mille in parallelo darebbero 0,86 µΩ. Le giunzioni reali stanno sopra questo valore, perché punti ravvicinati interferiscono fra loro nei rispettivi campi di corrente e l'insieme si comporta in parte come un'unica costrizione più grande, ma l'ordine di grandezza spiega perché una buona giunzione misuri microohm a una cifra.

Valori obiettivo di pressione di contatto

La resistenza di contatto cala ripidamente al crescere della pressione di contatto, e poi smette di calare. L'indicazione della CDA è precisa: sopra i 30 N/mm² circa non c'è più molto miglioramento, sotto i 7 N/mm² è sconsigliabile nella maggior parte dei casi, e sono da preferire pressioni superiori a 10 N/mm². Un lavoro indipendente sui collegamenti di sbarre in rame ha provato da 6 a 36 MPa e ha trovato la resistenza di contatto scendere da circa 16 µΩ a 6 MPa a circa 11 µΩ a 30 MPa, senza guadagni significativi oltre.

L'obiettivo di progetto è quindi una fascia, non un massimo: fra 10 e 30 N/mm² circa, mediati sulla sovrapposizione. È una fascia e non un numero perché la pressione è tutt'altro che uniforme lungo la sovrapposizione.

La coppia è una stima indiretta del precarico, e non buona

La pressione di contatto non si può misurare in campo. Si deduce dalla coppia di serraggio attraverso:

T = K F D

dove T è la coppia in Nm, F la forza sul bullone in N, D il diametro nominale del bullone in m e K il fattore di serraggio, che dipende dall'attrito sul filetto, dalla finitura superficiale, dal rivestimento e dallo stato di lubrificazione. La CDA indica da 0,20 a 0,22 a secco, da 0,19 a 0,21 con un composto per contatti e da 0,15 a 0,16 con un lubrificante a film limite al bisolfuro di molibdeno. Si faccia il conto sulla disposizione tabulata dalla CDA stessa per barra da 50 mm: 70 mm di sovrapposizione, 3500 mm² di area di giunzione, due bulloni M12 a 45 Nm.

Stessa chiave dinamometrica, stessa impostazione, stesso montatore. Una dispersione del 47% sul precarico, e una giunzione che finisce comodamente dentro la fascia preferita oppure appena sotto, a seconda che qualcuno abbia pulito i filetti o no. E questo prima di considerare la taratura della chiave o la sequenza di serraggio. Il controllo di coppia non è inutile, ma da solo le lascia una giunzione per la quale non può dichiarare una pressione di contatto: è in buona parte per questo che la fascia raccomandata è così larga.

Le rondelle Belleville si guadagnano il posto per ragioni termiche

La seconda ragione per cui il precarico non resta dove lo si è messo è la temperatura.

La IEC 61439-1 ammette una sovratemperatura di 105 K sulle sbarre in rame nudo, quindi una barra in un ambiente a 35 °C può legittimamente trovarsi a 140 °C. Il bullone che la attraversa non è né alla stessa temperatura né dello stesso coefficiente di dilatazione. Il rame sta a circa 16,5 × 10⁻⁶ per °C, l'acciaio ad alta resistenza a 11,1 × 10⁻⁶, il bronzo all'alluminio CW307G a 16,2 × 10⁻⁶.

Con un bullone d'acciaio attraverso una giunzione in rame, il rame cresce più in fretta del bullone, quindi la tensione del bullone aumenta man mano che la giunzione si scalda. Sembra un fatto utile, e non lo è. La CDA prescrive che la tensione massima del bullone, in qualunque punto del campo di lavoro, resti sotto il 95% del carico di prova, perché un bullone portato oltre lo snervamento non torna indietro, e al raffreddamento la giunzione è più lasca di come era partita. Si ripeta quel ciclo ogni giorno per dieci anni e la giunzione si rilassa fino a zero.

Due vie d'uscita. Usare un bullone la cui dilatazione sia in linea con quella del rame, che è l'argomento a favore del CW307G a 16,2 × 10⁻⁶ contro i 16,5 del rame: un differenziale abbastanza piccolo perché la tensione si sposti appena. Oppure tenere il bullone d'acciaio e inserire nel pacco una rondella a molla a tazza, dimensionata su altezza e rigidezza in modo che la dilatazione termica comprima la molla anziché allungare il bullone.

Le rondelle Belleville vengono di solito vendute come misura antivibrazione. Non è ciò che fanno qui. Sono un elemento di cedevolezza che trasforma una giunzione bullonata rigida e a corsa breve in una più morbida, così che qualche centesimo di millimetro di dilatazione differenziale non diventi una grande variazione di carico. Le giunzioni di Braunovic usavano rondelle piane spesse, da 3 a 4 mm, di diametro pari a 1,4 volte quello della molla a tazza, per impedire che il bordo della molla mordesse il materiale.

Quanto vale davvero la preparazione superficiale

Braunovic ha misurato la resistenza di contatto di giunzione su hardware identico, senza cambiare nulla se non il trattamento superficiale. Giunzioni a quattro e a sei bulloni, 60 Nm, rondelle a molla a tazza, 150 A in corrente continua, media delle letture su un'ora.

Si tratta di piastrine di connettore in alluminio contro sbarra in alluminio, quindi non trapianti i valori assoluti su una giunzione in rame. Il punto sono i rapporti. Fra una superficie come ricevuta e una lavorata di macchina e lubrificata, sullo stesso hardware, la resistenza di contatto è scesa di un fattore 24 nella configurazione a quattro bulloni e 70 in quella a sei. Niente di ciò che si può fare con una chiave dinamometrica si avvicina.

Le superfici lavorate di macchina hanno anche superato quelle spazzolate a filo, cosa attribuita all'altezza e al passo uniformi delle rigature di lavorazione, che danno un'area portante più controllabile. Si noti la direzione del risultato: una superficie irruvidita di proposito batte una levigata a specchio, perché asperità acute perforano i film di ossido a carichi molto più bassi di quelle smussate. Lucidare a specchio una faccia di giunzione è controproducente.

Troverà citati in più punti anche i valori «rame lucido da 3 a 5 µΩ, leggera patina da 15 a 25 µΩ, ossido spesso da 50 a 200 µΩ». Non siamo riusciti a risalire a una misura primaria, e un valore di resistenza di contatto non significa nulla senza la geometria della giunzione, il numero di bulloni e la corrente di prova accanto. Li tratti come illustrazione dell'ordine relativo, non come dati di progetto.

Rivestimenti: quattro opzioni, quattro modi diversi di guastarsi

Il rame nudo è la scelta di default, e migliore di quanto la maggior parte delle persone immagini. Il rame si ossida lentamente, e il film che si forma è semiconduttore anziché isolante, perché ioni di rame vi diffondono e la conduzione procede in entrambe le direzioni. La CDA non raccomanda di rivestire le giunzioni rame-rame se non quando l'ambiente lo impone, per una ragione che sorprende: i materiali di rivestimento sono teneri, e uno strato tenero può fluire a caldo e ridurre la pressione di contatto. Il rame nudo ha però bisogno di un composto per contatti che riempia i vuoti fra gli a-spot e tenga fuori ossigeno e umidità. La vaselina funziona, e il grasso siliconico da vuoto funziona a temperature più alte.

Lo stagno costa poco e il suo ossido si rompe facilmente sotto pressione, ma è tenero: scorre sotto pressione prolungata e si danneggia con facilità sotto fretting. Lo stagno puro sviluppa whisker che possono provocare cortocircuiti transitori, per cui la CDA lo sconsiglia, e le leghe stagno-piombo che storicamente risolvevano il problema sono ormai fuori gioco per ragioni ambientali. Gli intermetallici rame-stagno crescono all'interfaccia con la temperatura e sono più resistivi di entrambi i metalli di partenza: è questo a dare allo stagno il tetto di servizio più basso dei quattro.

L'argento è il migliore dal punto di vista elettrico. Il suo ossido è conduttivo e abbastanza sottile da essere spostato dalla pressione di contatto, e regge alle temperature più alte. È caro, ed è la scelta sbagliata in atmosfere solforose, dove il solfuro d'argento si forma con facilità: cartiere, impianti di depurazione, qualunque posto vicino a una raffineria.

Il nichel è il rivestimento generico preferito dalla CDA: economico, durevole e abbastanza duro da sopravvivere alla movimentazione in montaggio. Il compromesso è elettrico. L'ossido di nichel è tenace e richiede pressione di contatto alta per essere perforato, quindi una giunzione nichelata montata all'estremo basso della fascia non renderà, e il nichel si comporta male con umidità elevata.

I rivestimenti metallici sono sottili, tipicamente da 2 a 5 µm, e proteggono solo se continui. Una microporosità passante in ambiente corrosivo è peggio di nessun rivestimento, perché concentra l'attacco.

Accoppiamento con l'alluminio

Rame e alluminio a contatto diretto, in presenza di un elettrolita qualsiasi, formano una cella galvanica, e l'alluminio è la metà sacrificale. I potenziali standard di elettrodo sono +0,34 V per il rame e −1,66 V per l'alluminio rispetto all'elettrodo standard a idrogeno. In un armadio interno asciutto e sigillato può cavarsela per anni; in qualunque ambiente umido o costiero no. I rimedi, in ordine crescente di costo, sono un composto di giunzione che sigilli l'interfaccia contro l'umidità, la stagnatura perché le superfici di accoppiamento siano dello stesso metallo, oppure una piastra bimetallica di transizione saldata per attrito o placcata per esplosione, che sposta in fabbrica l'interfaccia fra metalli diversi. Le differenze di lavorazione fra i due metalli vanno oltre la giunzione.

Fretting e rilassamento: come si guastano le giunzioni buone

Due meccanismi lenti spiegano la maggior parte delle giunzioni che superano il collaudo e si guastano anni dopo.

Il fretting è il danneggiamento superficiale dovuto a movimenti oscillatori molto piccoli all'interfaccia, e le ampiezze in gioco sono sorprendentemente ridotte. Spostamenti sotto i 100 nm bastano a innescarlo e, poiché uno scorrimento inferiore a circa 125 µm non riesce a spazzare i detriti fuori dalla zona di contatto, le particelle di usura ossidate restano lì e si accumulano in un terzo corpo isolante e spesso. La resistenza di contatto sale allora rapidamente verso il circuito aperto. L'oscillazione viene dalle vibrazioni, dalla dilatazione termica differenziale, o semplicemente dal riscaldarsi e raffreddarsi della giunzione al variare del carico.

Lo scorrimento viscoso e il rilassamento delle tensioni sono l'altro meccanismo. Lo scorrimento viscoso è la variazione dimensionale sotto carico prolungato; il rilassamento delle tensioni è la perdita di pressione di contatto senza variazione dimensionale, man mano che la deformazione elastica si converte in plastica. Entrambi dipendono da tempo, temperatura e tensione, ed entrambi sono nettamente peggiori nell'alluminio. Il confronto della CDA enuncia la differenza con chiarezza: l'alluminio 1080 ricotto a 20 °C mostra una velocità minima di scorrimento dello 0,022% ogni 1000 ore a 26 N/mm², mentre il rame ad alta conducibilità ricotto raggiunge quella velocità alla stessa tensione solo se portato a 150 °C.

Il problema delle giunzioni in alluminio sta tutto in questa riga. A temperatura ambiente, l'alluminio sotto la normale pressione di contatto di una sbarra sta già scorrendo a una velocità che il rame non raggiunge fino a ben oltre il proprio campo di servizio. Le giunzioni bullonate in alluminio richiedono molle a tazza come pratica corrente e non come miglioria, e richiedono piani di riserraggio che le giunzioni in rame non hanno.

Dove entra l'officina

Prima di tutto la planarità. Braunovic ha attribuito le prestazioni scadenti delle giunzioni senza asola al disallineamento fra barre rigide: alcune zone portano tensione elevata e snervano, altre si toccano appena, e l'area portante finisce per essere piccola. Una barra con 1 mm di svergolamento sulla propria lunghezza non appoggerà piana sulla vicina, qualunque coppia lei applichi.

Poi le bave. Una bava sul bordo di un foro punzonato è metallo sollevato che sporge dalla faccia di accoppiamento. Tiene distanziate le barre attorno al foro, esattamente dove il bullone applica la propria pressione, e converte il contatto di faccia in un contatto anulare sulla bava. La sbavatrice BND800-2 lavora barre da 0,5 a 50 mm di spessore e da 100 a 800 mm di larghezza a 5–30 m/min, abbastanza in fretta perché sbavare ogni barra sia una decisione di programmazione e non un collo di bottiglia.

La qualità del foro discende dalla stessa operazione. La punzonatura con gioco corretto lascia una parete del foro pulita e una bava d'uscita piccola e costante; un gioco eccessivo lascia un bordo strappato e una bava grande. Anche la posizione conta dal punto di vista elettrico: i fori dovrebbero stare allineati lungo la giunzione, perché sfalsarli disturba ulteriormente il flusso di corrente, e il termine dominante nel rendimento della giunzione è la sezione persa a causa dei fori. La DIN 43673-1 fissa posizioni e dimensioni dei fori ed è un punto di partenza migliore di una norma aziendale.

Sulle facce di accoppiamento serve una rugosità uniforme e controllata anziché una lucidatura, e un bordo controllato al limite della sovrapposizione, dove uno spigolo vivo è insieme un concentratore di tensione nella distribuzione di pressione e un punto di concentrazione del campo. Di questa seconda conseguenza si occupa smussatura e raggio di spigolo delle sbarre.

La geometria della sovrapposizione è l'ultima voce. La penalità di distorsione della corrente in una giunzione sovrapposta, l'effetto di deviazione delle linee di corrente, cala rapidamente al crescere del rapporto fra sovrapposizione e spessore fino a circa 2, e poi si appiattisce. Sovrapposizioni molto lunghe non comprano nulla: serve lunghezza sufficiente a ospitare i bulloni che generano la pressione di contatto. Due modifiche di geometria sono gratuite in fase di punzonatura. Smussare le estremità della barra con un angolo inferiore a 45° riduce la resistenza iniziale di giunzione di circa il 15% e rallenta la crescita della resistenza sotto ciclaggio di corrente di un fattore da 1,3 a 1,5. Un'asola longitudinale ricavata in entrambe le barre riduce la resistenza di contatto dal 30 al 40%, uniformando la pressione su ciascun tratto. Entrambe costano meno da realizzare sulla linea di punzonatura e cesoiatura che da spiegare a posteriori.

Una giunzione con rendimento inferiore al 100% lavora più calda della barra che la circonda e, in un armadio pieno di giunzioni, quel calore si somma. Il calcolatore di portata dà la base termica della barra, che è il budget entro cui le giunzioni devono stare.