O que torna confiável uma junta parafusada de barramento

Um trecho de barramento é, em boa medida, um problema resolvido. A barra é dimensionada a partir de uma corrente, a elevação de temperatura é verificada, e o metal faz o que metal faz. É nas juntas que está a engenharia de verdade, e é nelas que os quadros queimam. Boa parte do que decide a vida útil de uma junta se resolve na oficina de fabricação, antes de a barra chegar à obra: quão planas estão as faces de contato, se a rebarba saiu, como os furos foram feitos e qual é o aspecto da superfície onde as duas barras vão se tocar.

A área aparente de contato é uma ficção

Duas barras de 50 mm sobrepostas em 70 mm dão uma área nominal de contato de 3500 mm². Quase nada dela conduz corrente.

Superfícies reais não são planas. Pressionadas uma contra a outra, duas barras se tocam apenas nos picos das asperezas, e a corrente só atravessa onde esses picos romperam os filmes superficiais e chegaram ao contato metal-metal. São os pontos condutores, chamados universalmente de a-spots desde o tratamento que Holm lhes deu. A orientação sobre barramento da Copper Development Association os situa na ordem de 1% da área de sobreposição.

As medições são menos generosas. O trabalho de Braunovic sobre juntas parafusadas sobrepostas de alta potência, publicado na IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies em 2002, calculou a razão entre a área real condutora e a área de contato esperada em juntas de conector para barramento com quatro e seis parafusos. Sem nenhuma preparação superficial, a razão ficou entre 0.0003% e 0.0023%. Usinada e lubrificada, o melhor caso chegou a cerca de 4%. Mesmo na junta mais bem preparada do ensaio, 96% da área de contato não fazia nada.

A relação de suporte de carga por trás disso é direta: a força de contato F se relaciona com a área aparente A e a dureza H por F = ξHA, e Holm mostrou que a dureza se relaciona com a tensão de escoamento por H ≈ 3σy. Material mais mole escoa a pressão menor e dá mais área real de contato para a mesma carga de parafuso, e é por isso que o alumínio faz contato íntimo com facilidade — e por isso que o alumínio, em seguida, tem um problema de fluência.

Resistência de constrição

Como a corrente só pode atravessar nos a-spots, as linhas de corrente no metal maciço convergem para dentro de cada ponto e divergem para fora dele. Essa convergência é, por si só, uma resistência, independente de qualquer filme superficial, e se chama resistência de constrição. Para um único ponto circular de raio a entre dois metais idênticos de resistividade ρ:

Rc = ρ / 2a

Entre metais diferentes, torna-se (ρ₁ + ρ₂) / 4a. A resistência de contato total soma a resistência de filme Rf = σ/πa², em que σ é a resistência por unidade de área de qualquer filme de óxido ou de contaminante que a corrente tenha de atravessar por tunelamento ou por fritting.

O denominador é a parte importante. A resistência de constrição escala com o raio do ponto, não com a área do ponto, então dobrar a área de um ponto reduz a sua resistência de constrição apenas por um fator de cerca de 1.4, enquanto dobrar o número de pontos a divide pela metade. É por isso que a preparação da superfície é uma alavanca maior do que o torque do parafuso: o torque faz crescer os pontos que já existem, a preparação cria pontos novos.

Vale colocar um número. Cobre a 1.724 × 10⁻⁸ Ω·m com um a-spot de 10 µm de raio dá Rc = 862 µΩ só para aquele ponto. Mil deles em paralelo dariam 0.86 µΩ. Juntas reais ficam acima disso, porque pontos muito próximos interferem nos campos de corrente uns dos outros e o aglomerado se comporta em parte como uma única constrição maior, mas a ordem de grandeza explica por que uma junta boa mede microhms de um dígito.

Metas de pressão de contato

A resistência de contato cai fortemente com a pressão de contato e depois para de cair. A orientação da CDA é específica: acima de aproximadamente 30 N/mm² há pouca melhora adicional, abaixo de 7 N/mm² não é aconselhável na maioria dos casos, e pressões acima de 10 N/mm² são preferíveis. Trabalhos independentes sobre conexões de barramento de cobre ensaiaram de 6 a 36 MPa e encontraram a resistência de contato caindo de cerca de 16 µΩ a 6 MPa para cerca de 11 µΩ a 30 MPa, sem ganho significativo além disso.

A meta de projeto é, portanto, uma faixa, não um máximo: algo entre 10 e 30 N/mm² em média sobre a sobreposição. É uma faixa em vez de um número porque a pressão está longe de ser uniforme ao longo da sobreposição.

O torque é um substituto da pré-carga, e um substituto ruim

A pressão de contato não pode ser medida em campo. Ela é inferida a partir do torque do parafuso por:

T = K F D

em que T é o torque em Nm, F é a força no parafuso em N, D é o diâmetro nominal do parafuso em m, e K é o fator de aperto, que depende do atrito na rosca, do acabamento superficial, do revestimento e do estado de lubrificação. A CDA indica 0.20 a 0.22 a seco, 0.19 a 0.21 com composto auxiliar de contato e 0.15 a 0.16 com lubrificante de contorno de dissulfeto de molibdênio. Aplique isso ao arranjo tabelado pela própria CDA para barra de 50 mm: sobreposição de 70 mm, 3500 mm² de área de junta, dois parafusos M12 a 45 Nm.

Mesmo torquímetro, mesmo ajuste, mesmo montador. Uma dispersão de 47% na pré-carga, e uma junta que cai confortavelmente dentro da faixa preferida ou um pouco abaixo dela conforme alguém tenha limpado a rosca ou não. E isso antes de considerar a calibração do torquímetro ou a sequência de aperto. Controle por torque não é inútil, mas, sozinho, entrega uma junta para a qual você não consegue declarar uma pressão de contato — o que explica boa parte de por que a faixa recomendada é tão larga.

As arruelas Belleville se justificam termicamente

A segunda razão pela qual a pré-carga não fica onde você a colocou é a temperatura.

A IEC 61439-1 admite uma elevação de temperatura de 105 K em barramentos de cobre nu, então uma barra em ambiente a 35 °C pode legitimamente estar a 140 °C. O parafuso que a atravessa não está nem na mesma temperatura nem tem o mesmo coeficiente de dilatação. O cobre fica em torno de 16.5 × 10⁻⁶ por °C, o aço de alta resistência em 11.1 × 10⁻⁶, o bronze-alumínio CW307G em 16.2 × 10⁻⁶.

Com um parafuso de aço atravessando uma junta de cobre, o cobre cresce mais rápido que o parafuso, então a tração no parafuso sobe conforme a junta aquece. Isso parece útil e não é. A CDA exige que a tração máxima no parafuso, em qualquer ponto da faixa de trabalho, fique abaixo de 95% da tensão de prova, porque um parafuso levado além do escoamento não volta, e no resfriamento a junta fica mais frouxa do que começou. Repita esse ciclo todo dia por dez anos e a junta relaxa até nada.

Dois caminhos de saída. Usar um parafuso cuja dilatação acompanhe a do cobre, que é o argumento a favor do CW307G a 16.2 × 10⁻⁶ contra os 16.5 do cobre, um diferencial pequeno o bastante para a tração quase não se mover. Ou manter o parafuso de aço e colocar uma arruela de mola-prato na pilha, dimensionada em altura e rigidez de modo que o crescimento térmico comprima a mola em vez de esticar o parafuso.

Arruelas Belleville costumam ser vendidas como recurso antivibração. Não é isso que elas fazem aqui. Elas são um elemento de flexibilidade que transforma uma junta parafusada rígida e de curso pequeno em uma junta mais macia, de modo que alguns centésimos de milímetro de dilatação diferencial não virem uma grande variação de carga. As juntas de Braunovic usavam arruelas planas grossas, de 3 a 4 mm, com 1.4 vez o diâmetro da mola-prato, para impedir que a borda da mola mordesse o material.

Quanto vale, de fato, a preparação da superfície

Braunovic mediu a resistência de contato da junta com hardware idêntico, sem mudar nada além do tratamento superficial. Juntas de quatro e seis parafusos, 60 Nm, arruelas de mola-prato, 150 A CC, média das leituras ao longo de uma hora.

Trata-se de terminais de conector de alumínio contra barramento de alumínio, então não transplante os valores absolutos para uma junta de cobre. O que importa são as razões. Entre uma superfície como recebida e uma superfície usinada e lubrificada no mesmo hardware, a resistência de contato caiu por um fator de 24 na configuração de quatro parafusos e de 70 na de seis. Nada do que se faça com um torquímetro chega perto disso.

As superfícies usinadas também superaram as escovadas com escova de aço, o que se atribui à altura e ao espaçamento uniformes das estrias de usinagem, que dão uma área de suporte de carga mais controlável. Repare na direção disso: uma superfície deliberadamente rugosa vence uma superfície lisa e polida, porque asperezas agudas rompem filmes de óxido com carga muito menor do que asperezas rombudas. Polir uma face de junta até virar espelho é contraproducente.

Você também vai encontrar em vários lugares os valores "cobre brilhante 3 a 5 µΩ, embaçamento leve 15 a 25 µΩ, óxido pesado 50 a 200 µΩ". Não conseguimos rastreá-los até uma medição primária, e um valor de resistência de contato não significa nada sem a geometria da junta, o número de parafusos e a corrente de ensaio ao lado. Trate-os como ilustração da ordenação, não como dado de projeto.

Revestimento: quatro opções, quatro modos de falha diferentes

Cobre nu é o padrão, e um padrão melhor do que a maioria supõe. O cobre oxida devagar, e o filme que se forma é semicondutor em vez de isolante, porque íons de cobre difundem para dentro dele e a condução ocorre nos dois sentidos. A CDA não recomenda revestir juntas cobre-cobre a menos que o ambiente exija, por uma razão que surpreende: os materiais de revestimento são moles, e uma camada mole pode escoar a quente e reduzir a pressão de contato. O cobre nu precisa, sim, de um composto auxiliar de contato para preencher os vazios entre os a-spots e manter oxigênio e umidade fora. Vaselina funciona, e graxa de silicone para vácuo funciona mais quente.

O estanho é barato e o seu óxido se rompe facilmente sob pressão, mas ele é mole, então flui sob pressão sustentada e se danifica com facilidade sob fretting. O estanho puro cria whiskers que podem causar curtos-circuitos transitórios, então a CDA desaconselha o seu uso, e as ligas estanho-chumbo que historicamente resolviam isso hoje estão fora de questão por razões ambientais. Intermetálicos cobre-estanho crescem na interface com a temperatura e são mais resistivos do que qualquer um dos metais de origem, o que dá ao estanho o menor teto de serviço dos quatro.

A prata é o melhor desempenho elétrico. Seu óxido é condutor e fino o bastante para ser deslocado sob pressão de contato, e ela aguenta as temperaturas mais altas. É cara, e é a escolha errada em atmosferas com enxofre, onde o sulfeto de prata se forma com facilidade: fábricas de papel, estações de tratamento de esgoto, qualquer lugar perto de uma refinaria.

O níquel é o revestimento de uso geral preferido pela CDA, por ser barato, durável e duro o bastante para sobreviver ao manuseio de montagem. A contrapartida é elétrica. O óxido de níquel é resistente e precisa de pressão de contato alta para ser rompido, então uma junta niquelada montada na parte baixa da faixa não vai ter desempenho, e o níquel se comporta mal com umidade alta.

Revestimentos metálicos são finos, tipicamente de 2 a 5 µm, e só protegem se forem contínuos. Um furo de agulha em ambiente corrosivo é pior do que revestimento nenhum, porque concentra o ataque.

Combinação com alumínio

Cobre e alumínio em contato direto, com qualquer eletrólito presente, formam uma célula galvânica, e o alumínio é a metade sacrificial. Os potenciais de eletrodo padrão são +0.34 V para o cobre e −1.66 V para o alumínio contra o eletrodo padrão de hidrogênio. Em um armário interno seco e vedado, você pode escapar disso por anos; em qualquer ambiente úmido ou litorâneo, não vai. As correções, em ordem crescente de custo, são um composto de junta que vede a interface contra a umidade, estanhagem para que as superfícies de contato fiquem semelhantes entre si, ou uma placa de transição bimetálica soldada por fricção ou por explosão, que leva a interface entre metais diferentes para dentro da fábrica. As diferenças de fabricação entre os dois metais vão além da junta.

Fretting e relaxação: como juntas boas se deterioram

Dois mecanismos lentos respondem pela maior parte das juntas que passam no comissionamento e falham anos depois.

Fretting é o dano superficial causado por movimento oscilatório muito pequeno na interface, e as amplitudes são surpreendentemente pequenas. Deslocamentos abaixo de 100 nm já bastam para iniciá-lo e, como o escorregamento abaixo de aproximadamente 125 µm não consegue varrer os detritos para fora da zona de contato, as partículas de desgaste oxidadas permanecem ali e se acumulam em um terceiro corpo isolante e espesso. A resistência de contato então sobe acentuadamente rumo a um circuito aberto. A oscilação vem de vibração, de dilatação térmica diferencial, ou simplesmente do aquecimento e resfriamento da junta conforme a carga cicla.

Fluência e relaxação de tensão são o outro mecanismo. Fluência é mudança dimensional sob carga sustentada; relaxação de tensão é perda de pressão de contato sem mudança dimensional, à medida que a deformação elástica se converte em plástica. Ambas dependem de tempo, temperatura e tensão, e ambas são nitidamente piores no alumínio. A comparação da CDA enuncia a diferença com clareza: alumínio 1080 recozido a 20 °C mostra uma taxa mínima de fluência de 0.022% por 1000 horas a 26 N/mm², ao passo que o cobre recozido de alta condutividade só alcança essa taxa, sob a mesma tensão, quando aquecido a 150 °C.

Esse é o problema das juntas de alumínio em uma linha. À temperatura ambiente, o alumínio sob pressão normal de contato de barramento já está fluindo a uma taxa que o cobre não alcança senão bem acima da sua faixa de serviço. Juntas parafusadas de alumínio precisam de molas-prato como prática padrão, e não como melhoria opcional, e precisam de programas de reaperto que as juntas de cobre não precisam.

Onde entra a oficina de fabricação

Planeza primeiro. Braunovic atribuiu o mau desempenho de juntas sem rasgo ao desalinhamento entre barras rígidas: algumas regiões carregam tensão alta e escoam, outras mal se tocam, e a área de suporte de carga acaba pequena. Uma barra com 1 mm de torção ao longo do comprimento não vai assentar plana contra a barra vizinha, seja qual for o torque aplicado.

Depois as rebarbas. Uma rebarba na aresta de um furo puncionado é metal levantado, saliente em relação à face de contato. Ela mantém as barras afastadas em torno do furo, exatamente onde o parafuso aplica a sua pressão, e converte contato de face em contato em anel sobre a rebarba. A máquina de rebarbação BND800-2 trabalha barra de 0.5 a 50 mm de espessura e de 100 a 800 mm de largura a 5 a 30 m/min, rápido o bastante para que rebarbar todas as barras seja uma decisão de programação e não um gargalo.

A qualidade do furo decorre da mesma operação. A furação com folga correta deixa uma parede de furo limpa e uma rebarba de saída pequena e constante; folga excessiva deixa uma aresta rasgada e uma rebarba grande. O posicionamento também importa eletricamente: os furos devem ficar alinhados ao longo da junta, já que descentralizá-los perturba mais o fluxo de corrente, e o termo dominante na eficiência da junta é a seção perdida para os furos. A DIN 43673-1 fixa posições e tamanhos de furo e é um ponto de partida melhor do que um padrão interno da casa.

Nas faces de contato você quer rugosidade uniforme e controlada em vez de polimento, e uma aresta controlada no limite da sobreposição, onde um canto vivo é ao mesmo tempo um concentrador de tensão na distribuição de pressão e um ponto de concentração de campo. Essa segunda consequência é o assunto de chanframento e raio de aresta em barramento.

A geometria da sobreposição é a última delas. A penalidade de distorção da corrente em uma junta sobreposta, o efeito de desvio das linhas de corrente, cai rapidamente à medida que a razão entre sobreposição e espessura sobe até cerca de 2, e depois se achata. Sobreposições muito longas não compram nada; você precisa de comprimento suficiente para acomodar os parafusos que geram a pressão de contato. Duas mudanças de geometria saem de graça na etapa de furação. Chanfrar as pontas da barra em menos de 45° reduz a resistência inicial da junta em cerca de 15% e retarda o aumento da resistência sob ciclagem de corrente por um fator de 1.3 a 1.5. Um rasgo longitudinal cortado nas duas barras reduz a resistência de contato em 30 a 40%, por uniformizar a pressão em cada perna. As duas coisas são mais baratas de fazer na linha de furo e corte do que de explicar depois.

Uma junta abaixo de 100% de eficiência trabalha mais quente do que a barra ao redor dela, e em um armário cheio de juntas esse calor é cumulativo. A calculadora de capacidade de corrente dá a linha de base térmica da barra, que é o orçamento dentro do qual as juntas têm de caber.