ボルト接続部の信頼性は何で決まるか

ブスバーの配線は、ほぼ解決済みの問題である。バーのサイズは電流から算出し、温度上昇を検証し、金属の挙動は期待通りとなる。接合部こそが工学的な課題の所在であり、配電盤が焼損する箇所でもある。接合部の寿命を決める要因の大半は、バーが現場に届く前に加工場で確定する：合わせ面の平面度、バリの除去状態、穴の加工方法、および2本のバーが接する箇所の表面状態である。

見かけの接触面積は架空のものである

50 mmのバーを70 mm重ねた場合、公称接触面積は3500 mm²となる。しかしそのほとんどは電流を導かない。

現実の表面は平坦ではない。2本のバーを押圧すると、微小峰同士が接触する箇所のみで接し、電流はそれらの微小峰が表面皮膜を突き破り、金属同士が直接接触する箇所のみを通過する。これは一般的に、ホルムによる取扱いに倣いaスポットと呼ばれる導通点である。Copper Development Associationのブスバーガイドラインでは、その面積はオーバーラップ面積のおよそ1%とされている。

測定値はさらに厳しい。Braunovicによる、高電力オーバーラップボルト接合部に関する研究（IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies 2002年掲載）では、4ボルトおよび6ボルトのコネクタ・ブスバー接合部において、実際の導通面積と期待接触面積の比率を算出した。表面処理なしではその比率は0.0003%～0.0023%であった。加工・潤滑処理を施した最良のケースでも約4%に達した。試験された最良の準備を施した接合部でも、接触面積の96%は不活性であった。

この背後にある荷重関係は単純である。接触力Fと見かけの面積A、硬度Hの関係はF = ξHAであり、ホルムは硬度と降伏応力の関係をH ≈ 3σyと示した。柔らかい材料は低い圧力で降伏し、同じボルト荷重でより多くの実接触面積を提供する。これはアルミニウムが容易に密着する理由であり、またアルミニウムにクリープ問題が生じる理由でもある。

絞り抵抗

電流はaスポットを介してのみ通過できるため、 bulk金属中の電流線は各スポットに収束し、そこから拡散する。この収束自体が抵抗となり、任意の表面皮膜とは独立に存在し、絞り抵抗と呼ばれる。 resistivity ρの同一金属2つ間の半径aの単一円形スポットの場合：

Rc = ρ / 2a

異種金属の場合は(ρ₁ + ρ₂) / 4aとなる。総接触抵抗には皮膜抵抗Rf = σ/πa²が加算され、σは電流がトンネルや焼結を通過する必要がある酸化物や汚染皮膜の単位面積あたりの抵抗である。

重要なのは分母である。絞り抵抗はスポットの面積ではなく半径に比例する。したがって、スポットの面積を2倍にしても絞り抵抗は約1.4倍にしか減少しないのに対し、スポットの数を2倍にすれば半減する。これが表面処理がボルト締め付けトルクよりも効果的な理由である。トルクは既存のスポットを成長させるが、表面処理は新しいスポットを生み出す。

resistivity 1.724 × 10⁻⁸ Ω·mの銅において、半径10 µmのaスポットが1個の場合、そのスポットのみのRcは862 µΩとなる。1000個が並列接続された場合は0.86 µΩとなる。実際の接合部はそれより高い値を示す。近接するスポット同士が相互の電流場に干渉し、クラスターが部分的に1つの大きな絞りとして振る舞うためである。しかし、この桁数が、良好な接合部が単位-digit マイクロオームで測定される理由を説明する。

接触圧力の目標値

接触抵抗は接触圧力とともに急激に低下し、その後は低下が止まります。CDA（カナダ銅開発協会）のガイダンスは具体的です。約30 N/mm²以上ではそれ以上のに改善はほとんどなく、7 N/mm²以下はほとんどの場合望ましくなく、10 N/mm²以上の圧力が望ましいとされています。銅ブスバー接続に関する独立した研究では、6～36 MPaをテストし、接触抵抗が6 MPaで約16 µΩから30 MPaで約11 µΩに低下し、それ以上では有意な改善は見られませんでした。

設計目標は範囲であり、最大値ではありません。重なり部分の平均で、10から30 N/mm²の間のどこかです。圧力が重なり部分全体で均一ではないため、数値ではなく範囲として提示されます。

トルクは締め付け力の代理指標であり、精度が低い

現場で接触圧力を直接測定することはできません。ボルトトルクから以下のように推定されます：

T = K F D

ここで、Tはトルク（Nm）、Fはボルト力（N）、Dはボルト公称直径（m）、Kはナット係数であり、ねじ摩擦、表面仕上げ、めっき、潤滑状態に依存します。CDAの数値では、ドライで0.20～0.22、接触補助材使用で0.19～0.21、二硫化モリブデン界面潤滑剤使用で0.15～0.16です。CDA独自の50 mmバーの表計算例（オーバーラップ70 mm、接合面積3500 mm²、M12ボルト2本、45 Nmトルク）に基づくと：

同じトルクレンチ、同じ設定、同じ作業者でも、締め付け力に47%のばらつきが生じます。ねじが拭き取られているかどうかに応じて、接合面圧力が好適な範囲内に確実に収まるか、わずかに下回るかが決まります。これは、レンチの校正やボルトの順序の問題を前にしています。トルク制御は無意味ではありませんが、単独では接触圧力を確実に保証できない接合を作り出し、これが推奨範囲が広めである主な理由です。

ベルビレットワッシャーは熱的に適応性を発揮する

締め付け力が設定値を維持できない第二の理由は温度です。

IEC 61439-1では、裸銅ブスバーの許容温度上昇が105 Kと定められているため、35 °Cの環境温度において、バーの温度が140 °Cに達しても合法です。貫通ボルトは、同じ温度にも同じ熱膨張係数でもありません。銅は約16.5 × 10⁻⁶ / °C、高張力鋼は11.1 × 10⁻⁶、アルミニウム青銅CW307Gは16.2 × 10⁻⁶です。

銅継手に鋼ボルトを通すと、銅の熱膨張率はボルトよりも大きいため、接合部が加熱されるとボルトの引張力が増大します。これは一見有益ですが、実際には問題となります。CDAは、作動範囲全体でボルトの引張力を引張強度の95%以下に抑えることを要求しています。これは、ボルトに塑性変形が生じると元に戻らず、冷却後に接合部が初期状態よりも緩んでしまうためです。これを10年間毎日繰り返すと、接合部は完全に緩んでしまいます。

この問題に対して、2つの解決策があります。1つは銅の膨張率に一致するボルトを使用する方法です。これは、銅の16.5×10⁻⁶に対して、CW307Gの16.2×10⁻⁶が非常に近い値であり、膨張率の差異が小さいため引張力の変化がほとんどないという根拠に基づいています。もう1つは鋼ボルトをそのまま使用し、ディスクスプリングワッシャーを組み合わせる方法です。熱膨張がボルトを引き伸ばす代わりにスプリングを圧縮するように、高さとバネ定数を適切に選定します。

ベリバー（皿バネ）ワッシャーは通常、防振対策として販売されています。しかし、この場合の役割はそれではありません。刚性が高く移動量の小さいボルト接合部を、より柔軟なものに変えるコンプライアンス要素として機能します。これにより、数100分の1mmの差異膨張が大きな荷重変動にはなりません。Braunovicの実験では、スプリングの縁食い込みを防ぐため、スプリング径の1.4倍の外径を持つ、厚さ3～4mmの平ワッシャーが使用されました。

実際の表面処理の効果

Braunovicは、表面処理のみを変更した同一のハードウェアで接合部の接触抵抗を測定しました。4ボルトおよび6ボルト接合部、締付トルク60Nm、ディスクスプリングワッシャー使用、通電電流150A直流、1時間あたりの平均測定値です。

これはアルミニウム継手パッドとアルミニウムブスバーの組み合わせに対する測定値であり、絶対値は銅接合部にそのまま適用できるものではありません。重要なのは比率です。同じハードウェアで、受入時状態の表面と機械加工・潤滑処理された表面を比較すると、接触抵抗は4ボルト構成で24倍、6ボルト構成で70倍減少しています。トルクレンチによる作業では、この効果に匹敵するものは得られません。

機械加工面はワイヤーブラッシング面よりも優れた性能を示しました。これは、機械加工の溝の均一な高さと間隔が、より制御可能な荷重支持面積を提供するためです。この結果は注目に値します。意図的に粗くした表面が、滑らかに研磨された表面よりも優れているのです。鋭いasperities（微小突起）は鈍いものよりも低い荷重で酸化皮膜を突き破るため、接合面を鏡面に研磨するのは逆効果となります。

「光沢銅 3～5 µΩ、軽い変色 15～25 µΩ、厚い酸化皮膜 50～200 µΩ」などの数値が複数の文献で引用されています。これらの一次測定値は確認できず、接触抵抗の数値は接合形状、ボルト数、試験電流がセットで示されなければ意味をなしません。これらは優先順位を示すものであり、設計データではありません。

電鍍：4つの選択肢、4つの異なる故障モード

無処理銅がデフォルトであり、しばしば想定されるよりも優れたデフォルトです。銅の酸化は遅く、形成される皮膜は絶縁体ではなく半導体です。銅イオンが皮膜に拡散し、両方向に電気伝導が起こるためです。CDAは、環境が要求しない限り、銅対銅接合部への電鍍を推奨していません。その理由は意外に思えるかもしれません。電鍍材料は柔らかく、高温で流動し接触圧力を低下させる可能性があるためです。無処理銅には、aスポット間の空隙を埋め、酸素や水分を遮断するための接触補助剤が必要です。ペトリウムゼリーが使用可能で、シリコン真空グリースはより高温で使用可能です。

錫は安価で、酸化皮膜も加圧で容易に破壊できますが、柔らかく、持続的な圧力下ではクリープを起こし、微動摩耗によっても容易に損傷します。純錫はヒゲ状結晶を成長させ、一時的な短絡を引き起こす可能性があるため、CDAは使用を推奨していません。かつてこの問題を解決した錫鉛合金も、環境的な理由から現在では使用できません。銅-錫の金属間化合物は界面で温度に応じて成長し、母材金属よりも比抵抗が高いため、4つの選択肢の中で最も使用温度上限が低くなります。

銀は電気的性能が最も優れている。酸化物が導電性であり、接触圧力下で容易に除去できるほど薄く、最高の温度でも耐久性を維持する。ただし高価で、硫黄分を含む雰囲気（製紙工場、下水処理場、製油所近隣など）では硫化銀が容易に形成されるため、不適切である。

ニッケルはCDAが推奨する汎用めっきであり、安価で耐久性があり、施工時の取り扱いに耐えるほどの硬度を有する。代償は電気的性能にある。酸化ニッケルは硬く、貫通には高い接触圧力が必要である。したがって、許容範囲の下限で組立たれたニッケルめっき継手は性能を発揮できず、ニッケルは高湿度環境でも性能が低下する。

金属めっきは薄く、一般的に2～5 µmであり、連続して存在する場合にのみ保護効果を発揮する。腐食環境における1つの微小な孔は、めっきなしよりも悪化を促進する。腐食が孔に集中するためである。

アルミニウムとの組み合わせ

銅とアルミニウムが電解質の存在する環境で直接接触すると、ガルバニ電池を形成し、アルミニウムが犠牲電極となる。標準電極電位は、銅が+0.34 V、アルミニウムが−1.66 V（標準水素電極に対して）。乾燥した密封された屋内キャビネットでは長期間にわたり使用可能な場合もあるが、湿度の高い場所や沿岸部では困難である。対策（コスト増の順に）は、接合剤で界面を湿気から密封する、またはめっき面と同様の材料で合わせ面を揃える、または摩擦溶接や爆発溶接によるバイメタル過渡板を用いて異種金属界面を工場内に移動する方法がある。2種の金属の加工上の違いは継手にとどまらない。

フレッティングと応力緩和：良好な継手の劣化機構

ほとんどの初期試験を通過した継手が数年後に故障する原因は、2つの緩やかな機構によるものである。

フレッティングは界面での微小な振動運動による表面損傷であり、変位振幅は驚くほど小さい。100 nm未満の変位でも発生可能であり、約125 µm未満の滑りでは接触域から摩耗粉を除去できないため、酸化した摩耗粒子が残留し、厚い絶縁性の第三体として蓄積する。その後、接触抵抗は急激に上昇し、開放状態に近づく。振動は、振動、熱膨張差、あるいは負荷サイクルに伴う継手の加熱冷却に起因する。

もう1つの原因はクリープと応力緩和である。クリープは持続荷重下での寸法変化であり、応力緩和は弾性ひずみが塑性に変化することによる接触圧力の損失であり、寸法変化を伴わない。両者とも時間、温度、応力に依存し、アルミニウムでは著しく悪化する。CDAの比較データは、その違いを明確に示している：20 °Cの焼鈍1080アルミニウムは、26 N/mm²で最小クリープ速度が1000時間あたり0.022%を示すが、焼鈍高伝導度銅は、同じ応力でその速度に達するのは150 °Cに加熱した場合のみである。

これがアルミニウム継手の問題を一言で表したものである。室温で、通常のブスバー接触圧力下のアルミニウムは、銅がその使用範囲を大幅に超えた温度で到達する速度で既にクリープしている。ボルト接合アルミニウム継手は、オプションではなく標準実践としてディスクスプリングが必要であり、銅継手には不要な定期的な再締め付けスケジュールも必要となる。

加工工程の重要性

まず平面度。Braunovicは、スロットなし継手の性能低下を、剛性のあるバー間の不整合に起因すると説明している：一部の領域は高応力を持ち降伏し、他の領域はほとんど接触しないため、最終的な荷重負担面積は小さくなる。長さ方向に1 mmのねじれを持つバーは、どのトルクを加えても隣接するバーに平らに密着しない。

次にバリです。打抜き穴の縁にあるバリは、接合面から突出した金属片です。ボルトが加圧する穴の周辺でバーを離し、面接触をバリ上のリング接触に変換します。BND800-2 仕上げ機は、厚さ0.5～50mm、幅100～800mmのバーを5～30m/minで処理でき、十分高速であるため、全バーの仕上げはボトルネックではなくスケジューリングの問題となります。

穴の品質は同じ工程から得られます。適切なクリアランスでの打抜きは、クリーンな穴壁と小さく一貫した出口バリを残しますが、過大なクリアランスは破断した縁と大きなバリを残します。配置は電気的にも重要です。穴は接合部に沿って直線的に配置すべきです。オフセットするとさらに電流流れを乱し、接合効率の主要因は穴で失われる断面積です。DIN 43673-1は穴の位置とサイズを規定しており、社内規格よりも優れた出発点となります。

接合面では、研磨ではなく均一で制御された粗さが望まれ、オーバーラップ境界では制御されたエッジが求められます。鋭角は圧力分布における応力集中点であり、電界集中点でもあります。後者の結果は、ブスバー面取りとエッジ半径のテーマです。

オーバーラップ形状が最後の要素です。オーバーラップ接合における電流歪みペナルティ（ストリームライン効果）は、オーバーラップ厚比が約2に達するまで急速に低下し、その後平坦化します。非常に長いオーバーラップは何も得られません。接触圧力を生成するボルトを収めるのに十分な長さが必要です。打抜き段階で2つの形状変更が可能です。バー端を45°未満に角度をつけると、初期接合抵抗を約15%削減し、電流サイクル下での抵抗上昇を1.3～1.5倍に遅らせます。両バーに縦スロットを切ると、各脚の圧力を均一化することで接触抵抗を30～40%低減します。どちらも打抜き・剪断ラインで作る方が、後で説明するよりも安価です。

100%未満の効率の接合部は、周囲のバーよりも高温になります。接合部が満たされたキャビネットでは、その熱は蓄積されます。電流容量計算ツールはバーの熱的ベースラインを示し、接合部が収まる予算となります。