Cıvatalı bara bağlantısını güvenilir kılan nedir

Bir bara hattı büyük ölçüde çözülmüş bir problemdir. Bara akıma göre boyutlandırılır, sıcaklık artışı doğrulanır ve metal, metalin yaptığını yapar. Mühendisliğin asıl bulunduğu yer bağlantılardır; panoların yandığı yer de orasıdır. Bir bağlantının servis ömrünü belirleyen şeylerin çoğu, bara sahaya varmadan çok önce imalat atölyesinde belirlenir: birleşen yüzeylerin ne kadar düz olduğu, çapağın alınıp alınmadığı, deliklerin nasıl açıldığı ve iki baranın temas edeceği yerde yüzeyin nasıl göründüğü.

Görünen temas alanı bir kurgudur

70 mm bindirmeyle üst üste gelen iki adet 50 mm bara, 3500 mm²'lik nominal bir temas alanı verir. Bunun neredeyse hiçbir kısmı akım taşımaz.

Gerçek yüzeyler düz değildir. Birbirine bastırılan iki bara yalnızca pürüz tepelerinde temas eder ve akım yalnızca bu tepelerin yüzey filmlerini delip metal-metal temas kurduğu yerlerden geçer. Bunlar iletim noktalarıdır; Holm'un incelemesinden bu yana herkes onlara a-noktaları (a-spots) diyor. Copper Development Association'ın bara rehberliği bunları bindirme alanının %1 mertebesinde gösteriyor.

Ölçümler daha da az iç açıcı. Braunovic'in yüksek güçlü bindirmeli cıvatalı bağlantılar üzerine 2002'de IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies dergisinde yayımlanan çalışması, dört ve altı cıvatalı klemens–bara bağlantılarında gerçek iletken alanın beklenen temas alanına oranını hesapladı. Hiçbir yüzey hazırlığı yapılmadığında oran %0,0003 ile %0,0023 arasında çıktı. İşlenmiş ve yağlanmış hâlde en iyi durum yaklaşık %4'e ulaştı. Test edilen en iyi hazırlanmış bağlantıda bile temas alanının %96'sı hiçbir iş yapmıyordu.

Bunun arkasındaki yük taşıma bağıntısı basittir: temas kuvveti F, görünen alan A ve sertlik H ile F = ξHA olarak ilişkilidir ve Holm sertliğin akma gerilmesiyle H ≈ 3σy şeklinde bağlantılı olduğunu göstermiştir. Daha yumuşak malzeme daha düşük basınçta akar ve aynı cıvata yükünde daha fazla gerçek temas alanı verir; alüminyumun kolayca sıkı temas kurmasının, sonra da bir sünme sorunu yaşamasının nedeni budur.

Daralma direnci

Akım yalnızca a-noktalarından geçebildiği için, yığın metaldeki akım çizgileri her noktaya doğru yakınsar ve oradan ıraksar. Bu yakınsama, herhangi bir yüzey filminden bağımsız olarak kendi başına bir dirençtir ve daralma direnci adını alır. Özdirenci ρ olan iki özdeş metal arasında a yarıçaplı tek bir dairesel nokta için:

Rc = ρ / 2a

Farklı metaller arasında bu (ρ₁ + ρ₂) / 4a hâlini alır. Toplam temas direncine bir de film direnci eklenir: Rf = σ/πa²; burada σ, akımın tünelleyerek ya da delerek geçmek zorunda olduğu oksit veya kirlilik filminin birim alan başına direncidir.

Önemli olan payda. Daralma direnci noktanın alanıyla değil yarıçapıyla ölçeklenir; dolayısıyla bir noktanın alanını iki katına çıkarmak daralma direncini yalnızca yaklaşık 1,4 kat azaltırken, nokta sayısını iki katına çıkarmak direnci yarıya indirir. Yüzey hazırlığının cıvata torkundan daha güçlü bir kaldıraç olmasının nedeni budur: tork mevcut noktaları büyütür, hazırlık ise yeni noktalar yaratır.

Sayıya dökelim. 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m özdirençli bakırda 10 µm yarıçaplı tek bir a-noktası, yalnız o nokta için Rc = 862 µΩ verir. Paralel bin nokta 0,86 µΩ verirdi. Gerçek bağlantılar bunun üzerinde kalır, çünkü birbirine yakın noktalar birbirlerinin akım alanlarını etkiler ve küme kısmen tek bir büyük daralma gibi davranır; yine de bu büyüklük mertebesi, iyi bir bağlantının neden tek haneli mikroohm ölçüldüğünü açıklar.

Temas basıncı hedefleri

Temas direnci, temas basıncıyla birlikte dik biçimde düşer ve sonra düşmeyi bırakır. CDA'nın rehberliği açıktır: kabaca 30 N/mm²'nin üzerinde kayda değer bir iyileşme olmuyor, 7 N/mm²'nin altı çoğu durumda tavsiye edilmiyor ve 10 N/mm²'nin üzerindeki basınçlar tercih ediliyor. Bakır bara bağlantıları üzerine yapılan bağımsız bir çalışma 6 ile 36 MPa arasını test etti ve temas direncinin 6 MPa'da yaklaşık 16 µΩ'dan 30 MPa'da yaklaşık 11 µΩ'a düştüğünü, sonrasında ise anlamlı bir kazanç olmadığını buldu.

Yani tasarım hedefi bir üst sınır değil, bir banttır: bindirme üzerinde ortalama olarak 10 ile 30 N/mm² arasında bir yer. Bandın tek bir sayı olmamasının nedeni, basıncın bindirme boyunca hiç de düzgün dağılmamasıdır.

Tork, ön yük için bir göstergedir ve kötü bir göstergedir

Temas basıncı sahada ölçülemez. Cıvata torkundan şu bağıntıyla çıkarsanır:

T = K F D

burada T Nm cinsinden tork, F N cinsinden cıvata kuvveti, D m cinsinden nominal cıvata çapı ve K somun katsayısıdır; K diş sürtünmesine, yüzey bitişine, kaplamaya ve yağlama durumuna bağlıdır. CDA kuru durumda 0,20–0,22; kontak macunu kullanıldığında 0,19–0,21; molibden disülfür sınır yağlayıcısı kullanıldığında 0,15–0,16 veriyor. Bunu CDA'nın 50 mm bara için kendi tablolaştırdığı düzende işletelim: 70 mm bindirme, 3500 mm² bağlantı alanı, 45 Nm'de iki adet M12 cıvata.

Aynı tork anahtarı, aynı ayar, aynı montajcı. Ön yükte %47'lik bir yayılım ve birinin dişleri silip silmediğine bağlı olarak ya tercih edilen bandın rahatça içine ya da biraz altına düşen bir bağlantı. Üstelik bu, anahtar kalibrasyonu ve cıvata sıkma sırası hesaba katılmadan önceki hâli. Tork kontrolü işe yaramaz değildir, ama tek başına size bir temas basıncı iddia edemeyeceğiniz bir bağlantı verir; önerilen bandın bu kadar geniş olmasının önemli bir nedeni budur.

Tabak yay pulları yerlerini ısıl davranışla hak eder

Ön yükün koyduğunuz yerde kalmamasının ikinci nedeni sıcaklıktır.

IEC 61439-1 çıplak bakır baralarda 105 K sıcaklık artışına izin verir; dolayısıyla 35 °C ortamdaki bir bara meşru biçimde 140 °C'de durabilir. İçinden geçen cıvata ne aynı sıcaklıktadır ne de aynı genleşme katsayısına sahiptir. Bakır °C başına yaklaşık 16,5 × 10⁻⁶, yüksek mukavemetli çelik 11,1 × 10⁻⁶, alüminyum bronzu CW307G ise 16,2 × 10⁻⁶ ile çalışır.

Bakır bir bağlantıdan geçen çelik cıvatada bakır cıvatadan daha hızlı büyür, dolayısıyla bağlantı ısındıkça cıvata gerilmesi yükselir. Bu kulağa faydalı geliyor ama değil. CDA, çalışma aralığının herhangi bir noktasındaki azami cıvata gerilmesinin akma dayanımının %95'inin altında kalmasını şart koşar; çünkü akmayı geçmiş bir cıvata geri dönmez ve soğuduğunda bağlantı başladığından daha gevşektir. Bunu on yıl boyunca her gün tekrarlayın, bağlantı hiçe doğru gevşer.

İki çıkış yolu var. Genleşmesi bakırla uyuşan bir cıvata kullanmak — CW307G'nin 16,2 × 10⁻⁶ değerinin bakırın 16,5 değerine karşı savunulmasının nedeni budur; fark, gerilmenin kayda değer biçimde değişmeyeceği kadar küçüktür. Ya da çelik cıvatayı korumak ve pul dizisine, yüksekliği ve yay katsayısı ısıl büyümenin cıvatayı germek yerine yayı sıkıştıracağı biçimde seçilmiş bir tabak yay pulu koymak.

Tabak yay pulları genellikle titreşim önleyici bir önlem olarak satılır. Burada yaptıkları bu değildir. Bunlar, rijit ve az esneyen cıvatalı bir bağlantıyı daha yumuşak bir bağlantıya çeviren esneme elemanlarıdır; böylece birkaç yüzde birlik milimetrelik farklı genleşme büyük bir yük değişimine dönüşmez. Braunovic'in bağlantılarında, yay kenarının malzemeye gömülmesini engellemek için tabak yay çapının 1,4 katı büyüklüğünde, 3–4 mm kalınlığında düz pullar kullanılmıştı.

Yüzey hazırlığı gerçekte ne kazandırıyor

Braunovic, yüzey işlemi dışında hiçbir şeyi değiştirmeden aynı donanım üzerinde bağlantı temas direncini ölçtü. Dört ve altı cıvatalı bağlantılar, 60 Nm, tabak yay pulları, 150 A DC, bir saat boyunca alınan okumaların ortalaması.

Bunlar alüminyum bara üzerine alüminyum klemens pabuçlarıdır; mutlak değerleri olduğu gibi bakır bir bağlantıya taşımayın. Asıl mesele oranlar. Aynı donanımda, geldiği gibi bir yüzey ile işlenmiş ve yağlanmış bir yüzey arasında temas direnci dört cıvatalı düzende 24 kat, altı cıvatalı düzende 70 kat düştü. Bir tork anahtarıyla yapabileceğiniz hiçbir şey buna yaklaşmaz.

İşlenmiş yüzeyler tel fırçalanmış olanlardan da daha iyi performans gösterdi; bu, işleme izlerinin tekdüze yüksekliği ve aralığının daha denetlenebilir bir yük taşıma alanı vermesine bağlandı. Bunun yönüne dikkat edin: kasıtlı olarak pürüzlendirilmiş bir yüzey, düzgün parlatılmış olanı yener; çünkü sivri pürüzler oksit filmlerini kör olanlara göre çok daha düşük yükte deler. Bir bağlantı yüzeyini ayna gibi parlatmak ters sonuç verir.

Birkaç yerde "parlak bakır 3–5 µΩ, hafif kararmış 15–25 µΩ, yoğun oksitli 50–200 µΩ" rakamlarına da rastlayacaksınız. Bunları birincil bir ölçüme kadar izleyemedik ve bir temas direnci değeri, yanında bağlantı geometrisi, cıvata sayısı ve test akımı olmadan hiçbir şey ifade etmez. Bunları tasarım verisi olarak değil, sıralamanın bir örneği olarak değerlendirin.

Kaplama: dört seçenek, dört farklı bozulma biçimi

Çıplak bakır varsayılan seçenektir ve çoğu kişinin sandığından daha iyi bir varsayılandır. Bakır yavaş oksitlenir ve oluşan film yalıtkan değil yarı iletkendir, çünkü bakır iyonları film içine yayılır ve iletim her iki yönde de sürer. CDA, ortam gerektirmedikçe bakır–bakır bağlantıların kaplanmasını önermez ve bunun nedeni insanları şaşırtır: kaplama malzemeleri yumuşaktır ve yumuşak bir tabaka ısındığında akıp temas basıncını düşürebilir. Çıplak bakırın ise a-noktaları arasındaki boşlukları doldurup oksijeni ve nemi dışarıda tutacak bir kontak macununa ihtiyacı vardır. Vazelin işe yarar; silikon vakum gresi daha yüksek sıcaklıkta işe yarar.

Kalay ucuzdur ve oksidi basınç altında kolayca dağılır, ama yumuşaktır: sürekli basınç altında sünme yapar ve fretting altında kolayca hasar görür. Saf kalay, geçici kısa devrelere yol açabilen kılcal kristaller (whisker) büyütür; bu nedenle CDA kalaya karşı uyarır ve bunu tarihsel olarak çözen kalay–kurşun alaşımları çevresel nedenlerle artık gündemde değildir. Ara yüzde sıcaklıkla birlikte bakır–kalay intermetalikleri büyür ve bunlar her iki ana metalden de daha dirençlidir; bu da dört seçenek içinde en düşük servis tavanını kalaya verir.

Gümüş elektriksel olarak en iyi performansı gösterir. Oksidi iletkendir ve temas basıncı altında yerinden itilecek kadar incedir; ayrıca en yüksek sıcaklıklara dayanır. Pahalıdır ve gümüş sülfürün kolayca oluştuğu kükürtlü atmosferlerde yanlış tercihtir: kâğıt fabrikaları, atık su tesisleri, bir rafineriye yakın her yer.

Nikel, CDA'nın tercih ettiği genel amaçlı kaplamadır; ucuz, dayanıklı ve montaj sırasındaki elleçlemeye dayanacak kadar serttir. Bedeli elektrikseldir. Nikel oksit inatçıdır ve delinmesi için yüksek temas basıncı gerekir; dolayısıyla bandın alt ucunda monte edilmiş nikel kaplı bir bağlantı beklendiği gibi çalışmaz ve nikel yüksek nemde kötü davranır.

Metal kaplamalar incedir, tipik olarak 2–5 µm, ve yalnızca sürekli olduklarında koruma sağlar. Korozif bir ortamda bir iğne deliği, hiç kaplama olmamasından daha kötüdür; çünkü saldırıyı bir noktada yoğunlaştırır.

Alüminyumla eşleştirme

Bakır ile alüminyum, ortamda herhangi bir elektrolit varken doğrudan temas ettiğinde galvanik bir hücre oluşturur ve kurban edilen taraf alüminyumdur. Standart hidrojen elektroduna karşı standart elektrot potansiyelleri bakır için +0,34 V, alüminyum için −1,66 V'tur. Kuru ve sızdırmaz bir iç mekân panosunda bundan yıllarca yırtabilirsiniz; nemli ya da kıyıya yakın bir yerde yırtamazsınız. Çözümler, artan maliyet sırasıyla: ara yüzü neme karşı sızdırmaz kılan bir bağlantı macunu, birleşen yüzeylerin aynı metal olması için kalay kaplama, ya da farklı metal ara yüzünü fabrikaya taşıyan sürtünme kaynaklı veya patlamayla kaynaklanmış bimetal geçiş plakası. İki metal arasındaki imalat farkları bağlantının ötesine geçer.

Fretting ve gevşeme: iyi bağlantılar nasıl bozulur

Devreye alma testlerini geçip yıllar sonra arıza veren bağlantıların çoğundan iki yavaş mekanizma sorumludur.

Fretting, ara yüzdeki çok küçük salınımlı hareketten kaynaklanan yüzey hasarıdır ve genlikler şaşırtıcı derecede küçüktür. 100 nm'nin altındaki yer değiştirmeler onu başlatmaya yeter ve kabaca 125 µm'nin altındaki kayma, aşınma artıklarını temas bölgesinden süpürüp çıkaramadığı için oksitlenmiş aşınma parçacıkları yerinde kalır ve kalın, yalıtkan bir üçüncü katman hâline gelir. Temas direnci bunun ardından açık devreye doğru dik biçimde yükselir. Salınımın kaynağı titreşim, farklı ısıl genleşme ya da yükün değişmesiyle bağlantının basitçe ısınıp soğumasıdır.

Sünme ve gerilme gevşemesi ikinci mekanizmadır. Sünme, sürekli yük altında boyut değişimidir; gerilme gevşemesi ise elastik şekil değiştirmenin plastiğe dönüşmesiyle, boyut değişmeden temas basıncının kaybedilmesidir. İkisi de zamana, sıcaklığa ve gerilmeye bağlıdır ve ikisi de alüminyumda belirgin biçimde daha kötüdür. CDA'nın karşılaştırması farkı net koyuyor: 20 °C'deki tavlanmış 1080 alüminyum, 26 N/mm² altında 1000 saatte %0,022 minimum sünme hızı gösteriyor; tavlanmış yüksek iletkenlikli bakır ise aynı gerilmede bu hıza ancak 150 °C'ye ısıtıldığında ulaşıyor.

Alüminyum bağlantı sorunu tek satırda budur. Oda sıcaklığında, normal bara temas basıncı altındaki alüminyum, bakırın servis aralığının epeyce üzerine çıkmadan ulaşamadığı bir hızda zaten sünüyor. Cıvatalı alüminyum bağlantılarda tabak yaylar bir ilave değil standart uygulamadır ve bakır bağlantıların ihtiyaç duymadığı yeniden sıkma programları gerekir.

İmalat atölyesinin devreye girdiği yer

Önce düzlemsellik. Braunovic, yarıksız bağlantıların zayıf performansını rijit baralar arasındaki hizasızlığa bağladı: bazı bölgeler yüksek gerilme taşıyıp akar, bazıları ise neredeyse hiç temas etmez ve yük taşıyan alan küçük kalır. Boyunca 1 mm burulması olan bir bara, ne kadar tork uygularsanız uygulayın komşusuna düz oturmaz.

Sonra çapaklar. Delinmiş bir delik kenarındaki çapak, birleşme yüzeyinden yukarı taşan malzemedir. Baraları tam da cıvatanın basıncını uyguladığı yerde, deliğin çevresinde birbirinden ayrı tutar ve yüzey temasını çapak üzerinde bir halka temasına çevirir. BND800-2 çapak alma makinesi 0,5–50 mm kalınlıkta ve 100–800 mm genişlikteki barayı 5–30 m/min hızla işler; bu, her baranın çapağını almanın bir darboğaz değil bir çizelgeleme kararı olmasına yetecek kadar hızlıdır.

Delik kalitesi de aynı operasyondan gelir. Doğru boşlukla yapılan delme temiz bir delik cidarı ve küçük, tutarlı bir çıkış çapağı bırakır; aşırı boşluk ise yırtık bir kenar ve büyük bir çapak bırakır. Konumlandırma elektriksel olarak da önemlidir: delikler bağlantı boyunca aynı hat üzerinde olmalıdır, çünkü kaydırmak akım akışını daha fazla bozar; bağlantı verimindeki baskın terim ise deliklere kaybedilen kesittir. DIN 43673-1 delik konumlarını ve ölçülerini belirler ve bir firma içi standarttan daha iyi bir başlangıç noktasıdır.

Birleşme yüzeylerinde parlaklık değil, tekdüze ve denetlenmiş bir pürüzlülük istersiniz; bindirme sınırında da denetlenmiş bir kenar. Oradaki keskin köşe hem basınç dağılımında bir gerilme yığılması noktası hem de bir alan yoğunlaşma noktasıdır. Bu ikinci sonuç bara pah kırma ve kenar radüsü yazısının konusudur.

Bindirme geometrisi sonuncusudur. Bindirmeli bir bağlantıdaki akım bozulması cezası, yani akım çizgisi etkisi, bindirme–kalınlık oranı yaklaşık 2'ye çıkarken hızla azalır ve sonra düzleşir. Çok uzun bindirmeler hiçbir şey kazandırmaz; temas basıncını üreten cıvataları sığdıracak kadar boya ihtiyacınız vardır. Delme aşamasında iki geometri değişikliği bedavadır. Bara uçlarını 45°'den küçük bir açıyla kesmek başlangıçtaki bağlantı direncini yaklaşık %15 azaltır ve akım çevrimleri altında direncin yükselişini 1,3–1,5 kat yavaşlatır. Her iki baraya açılan boyuna bir yarık, her bacaktaki basıncı dengeleyerek temas direncini %30–40 azaltır. İkisini de delme ve kesme hattında yapmak, sonradan açıklamaktan daha ucuzdur.

Verimi %100'ün altında olan bir bağlantı, çevresindeki baradan daha sıcak çalışır ve bağlantılarla dolu bir panoda bu ısı birikir. Akım taşıma kapasitesi hesaplayıcısı baranın ısıl referans noktasını verir; bağlantıların içinde yaşamak zorunda olduğu bütçe de budur.