Điều gì làm nên một mối nối thanh cái bắt bu lông đáng tin cậy

Một tuyến thanh cái phần lớn là bài toán đã giải xong. Thanh được chọn tiết diện từ dòng điện, độ tăng nhiệt được kiểm chứng, và kim loại làm đúng cái việc kim loại vẫn làm. Các mối nối mới là chỗ thật sự có kỹ thuật, và cũng là chỗ tủ điện cháy. Phần lớn những gì quyết định tuổi thọ của một mối nối đã được định đoạt ngay trong xưởng gia công, trước khi thanh ra tới công trường: mặt ghép phẳng đến đâu, bavia đã được gọt chưa, lỗ được làm bằng cách nào, và bề mặt trông thế nào ở chỗ hai thanh sẽ chạm nhau.

Diện tích tiếp xúc biểu kiến là chuyện hư cấu

Hai thanh rộng 50 mm chồng lên nhau 70 mm cho diện tích tiếp xúc danh nghĩa 3500 mm². Gần như không phần nào trong đó dẫn dòng.

Bề mặt thật không phẳng. Ép vào nhau, hai thanh chỉ chạm nhau ở các đỉnh nhấp nhô, và dòng điện chỉ đi qua ở những chỗ các đỉnh đó đã xuyên thủng lớp màng bề mặt để tạo tiếp xúc kim loại với kim loại. Đó là các điểm dẫn điện, ở đâu cũng gọi là a-spot theo cách Holm xử lý chúng. Tài liệu hướng dẫn về thanh cái của Copper Development Association đặt chúng ở mức khoảng 1% diện tích chồng.

Số đo thực còn ít đẹp đẽ hơn. Công trình của Braunovic về mối nối bắt bu lông kiểu chồng mí công suất lớn, công bố trên IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies năm 2002, đã tính tỷ số giữa diện tích dẫn điện thực và diện tích tiếp xúc dự kiến cho các mối nối đầu nối với thanh cái dùng bốn và sáu bu lông. Không chuẩn bị bề mặt, tỷ số này ra 0.0003% đến 0.0023%. Gia công cắt gọt rồi bôi trơn, trường hợp tốt nhất đạt khoảng 4%. Ngay trong mối nối được chuẩn bị tốt nhất trong thử nghiệm, 96% diện tích tiếp xúc vẫn không làm gì cả.

Quan hệ chịu tải đằng sau chuyện này thì đơn giản: lực tiếp xúc F liên hệ với diện tích biểu kiến A và độ cứng H theo F = ξHA, và Holm đã chỉ ra độ cứng liên hệ với ứng suất chảy theo H ≈ 3σy. Vật liệu mềm hơn chảy dẻo ở áp lực thấp hơn và cho nhiều diện tích tiếp xúc thực hơn với cùng một tải bu lông, đó là lý do nhôm dễ tạo tiếp xúc khít, và cũng là lý do sau đó nhôm có vấn đề từ biến.

Điện trở thắt dòng

Vì dòng điện chỉ có thể đi qua tại các a-spot, các đường dòng trong khối kim loại phải hội tụ vào từng điểm rồi phân kỳ ra khỏi nó. Sự hội tụ đó tự nó là một điện trở, độc lập với mọi màng bề mặt, và được gọi là điện trở thắt dòng. Với một điểm tròn đơn lẻ bán kính a giữa hai kim loại giống nhau có điện trở suất ρ:

Rc = ρ / 2a

Giữa hai kim loại khác nhau, nó thành (ρ₁ + ρ₂) / 4a. Điện trở tiếp xúc tổng cộng thêm điện trở màng Rf = σ/πa², với σ là điện trở trên một đơn vị diện tích của bất kỳ màng oxit hay màng bẩn nào mà dòng điện phải xuyên hầm hoặc đánh thủng để đi qua.

Mẫu số mới là phần quan trọng. Điện trở thắt dòng tỷ lệ theo bán kính điểm chứ không theo diện tích điểm, nên nhân đôi diện tích một điểm chỉ giảm điện trở thắt của nó khoảng 1.4 lần, trong khi nhân đôi số lượng điểm thì giảm nó đi một nửa. Đây là lý do chuẩn bị bề mặt là đòn bẩy mạnh hơn mô men siết bu lông: mô men siết làm các điểm sẵn có lớn thêm, còn chuẩn bị bề mặt tạo ra điểm mới.

Đặt một con số vào đó. Đồng với điện trở suất 1.724 × 10⁻⁸ Ω·m và một a-spot bán kính 10 µm cho Rc = 862 µΩ chỉ riêng cho điểm đó. Một nghìn điểm mắc song song sẽ cho 0.86 µΩ. Mối nối thật nằm cao hơn con số đó, vì các điểm nằm sát nhau gây nhiễu trường dòng điện của nhau và cả cụm hành xử một phần như một chỗ thắt lớn hơn, nhưng bậc độ lớn ấy giải thích vì sao một mối nối tốt đo được ở mức microhm một chữ số.

Mức áp lực tiếp xúc cần đạt

Điện trở tiếp xúc giảm rất nhanh theo áp lực tiếp xúc rồi thôi không giảm nữa. Hướng dẫn của CDA nói rõ: trên khoảng 30 N/mm² thì hầu như không cải thiện thêm, dưới 7 N/mm² là không nên trong phần lớn trường hợp, và áp lực trên 10 N/mm² là mức được ưa dùng. Một công trình độc lập về đấu nối thanh cái đồng đã thử từ 6 đến 36 MPa và thấy điện trở tiếp xúc giảm từ khoảng 16 µΩ ở 6 MPa xuống khoảng 11 µΩ ở 30 MPa, vượt quá mức đó thì không được thêm gì đáng kể.

Vậy mục tiêu thiết kế là một dải, không phải một giá trị lớn nhất: đâu đó giữa 10 và 30 N/mm² lấy trung bình trên phần chồng. Nó là một dải chứ không phải một con số bởi áp lực phân bố hoàn toàn không đều trên phần chồng.

Mô men siết là đại lượng thay thế cho lực căng trước, và là một đại lượng tồi

Áp lực tiếp xúc không đo được ngoài hiện trường. Nó được suy ra từ mô men siết bu lông qua:

T = K F D

trong đó T là mô men siết tính bằng Nm, F là lực bu lông tính bằng N, D là đường kính danh nghĩa bu lông tính bằng m, và K là hệ số đai ốc, phụ thuộc vào ma sát ren, độ nhẵn bề mặt, lớp mạ và tình trạng bôi trơn. CDA nêu 0.20 đến 0.22 khi khô, 0.19 đến 0.21 khi có hợp chất trợ tiếp xúc, và 0.15 đến 0.16 khi có chất bôi trơn ranh giới gốc molypden disunfua. Hãy chạy con số đó qua chính cách bố trí đã lập bảng của CDA cho thanh 50 mm: chồng 70 mm, diện tích mối nối 3500 mm², hai bu lông M12 siết 45 Nm.

Cùng một cờ lê lực, cùng một mức đặt, cùng một người lắp. Chênh lệch 47% về lực căng trước, và một mối nối rơi vào giữa dải ưa dùng một cách thoải mái hoặc hơi thấp hơn dải đó, tùy vào việc có ai lau ren hay không. Đó là còn chưa tính tới hiệu chuẩn cờ lê hay trình tự siết bu lông. Kiểm soát bằng mô men siết không phải vô dụng, nhưng chỉ riêng nó thì cho bạn một mối nối mà bạn không thể tuyên bố một áp lực tiếp xúc nào cho nó, và đó là phần lớn lý do vì sao dải khuyến nghị lại rộng đến vậy.

Lông đền chén xứng đáng có mặt là vì lý do nhiệt

Lý do thứ hai khiến lực căng trước không nằm yên ở chỗ bạn đặt nó là nhiệt độ.

IEC 61439-1 cho phép độ tăng nhiệt 105 K trên thanh cái đồng trần, nên một thanh trong môi trường 35 °C hoàn toàn có thể nằm ở 140 °C mà vẫn hợp lệ. Con bu lông xuyên qua nó thì không ở cùng nhiệt độ, cũng không có cùng hệ số giãn nở. Đồng vào khoảng 16.5 × 10⁻⁶ trên mỗi °C, thép cường độ cao 11.1 × 10⁻⁶, đồng thanh nhôm CW307G 16.2 × 10⁻⁶.

Với một bu lông thép xuyên qua mối nối đồng, đồng giãn nhanh hơn bu lông, nên lực căng bu lông tăng lên khi mối nối nóng lên. Nghe thì có vẻ có lợi, nhưng không phải. CDA yêu cầu lực căng bu lông lớn nhất tại mọi điểm trong dải làm việc phải nằm dưới 95% giới hạn chảy quy ước, bởi một con bu lông bị kéo quá giới hạn chảy thì không trở lại như cũ, và khi nguội đi thì mối nối lỏng hơn lúc ban đầu. Cho chu trình đó lặp lại mỗi ngày suốt mười năm thì mối nối chùng về không.

Có hai lối ra. Dùng bu lông có độ giãn nở khớp với đồng, đó là lập luận cho CW307G ở 16.2 × 10⁻⁶ so với 16.5 của đồng, chênh lệch nhỏ đến mức lực căng gần như không đổi. Hoặc giữ bu lông thép và đưa một vòng đệm đĩa vào chồng đệm, chọn theo chiều cao và độ cứng lò xo sao cho phần giãn nở nhiệt nén lò xo thay vì kéo dãn bu lông.

Lông đền chén thường được bán như một biện pháp chống rung. Ở đây chúng không làm việc đó. Chúng là một phần tử đàn hồi, biến một mối bắt bu lông cứng, hành trình ngắn thành một mối mềm hơn, nhờ đó vài phần trăm milimét chênh lệch giãn nở không biến thành thay đổi lớn về tải. Các mối nối của Braunovic dùng lông đền phẳng dày 3 đến 4 mm, đường kính gấp 1.4 lần đường kính vòng đệm đĩa, để cạnh lò xo không cắn vào bề mặt.

Chuẩn bị bề mặt thực sự đáng giá bao nhiêu

Braunovic đo điện trở tiếp xúc mối nối trên cùng bộ phần cứng, không đổi gì ngoài cách xử lý bề mặt. Mối nối bốn và sáu bu lông, 60 Nm, vòng đệm đĩa, 150 A DC, lấy trung bình các số đọc trong một giờ.

Đó là đệm đầu nối nhôm áp vào thanh cái nhôm, nên đừng đem các giá trị tuyệt đối này ghép sang mối nối đồng. Điểm cần nhìn là các tỷ số. Giữa một bề mặt nguyên trạng khi nhận và một bề mặt được gia công cắt gọt rồi bôi trơn trên cùng bộ phần cứng, điện trở tiếp xúc giảm 24 lần ở cấu hình bốn bu lông và 70 lần ở cấu hình sáu bu lông. Không có gì bạn làm được bằng cờ lê lực đến gần được mức đó.

Bề mặt gia công cắt gọt cũng hơn bề mặt chải bàn chải sắt, được quy cho việc các vết răng cưa do gia công có chiều cao và khoảng cách đều nhau, cho một diện tích chịu tải dễ kiểm soát hơn. Hãy để ý chiều của kết luận đó: một bề mặt được làm nhám có chủ đích thắng một bề mặt đánh bóng nhẵn, vì các đỉnh nhấp nhô sắc xuyên qua màng oxit ở tải thấp hơn nhiều so với đỉnh tù. Đánh bóng mặt mối nối tới mức soi gương là phản tác dụng.

Bạn cũng sẽ thấy vài nơi trích các con số "đồng sáng 3 đến 5 µΩ, xỉn nhẹ 15 đến 25 µΩ, oxit dày 50 đến 200 µΩ". Chúng tôi không truy được chúng về một phép đo gốc nào, và một con số điện trở tiếp xúc chẳng có nghĩa gì nếu không kèm hình học mối nối, số bu lông và dòng thử nghiệm. Hãy coi chúng là minh họa cho thứ tự lớn nhỏ, không phải là dữ liệu thiết kế.

Mạ: bốn lựa chọn, bốn kiểu hỏng khác nhau

Đồng trần là mặc định, và là một mặc định tốt hơn phần lớn mọi người vẫn nghĩ. Đồng oxy hóa chậm, và màng hình thành là bán dẫn chứ không phải cách điện, vì ion đồng khuếch tán vào trong màng và dẫn điện diễn ra theo cả hai chiều. CDA không khuyến nghị mạ mối nối đồng với đồng trừ khi môi trường đòi hỏi, với một lý do làm nhiều người bất ngờ: vật liệu mạ thì mềm, và một lớp mềm có thể chảy khi nóng và làm giảm áp lực tiếp xúc. Đồng trần thì cần một hợp chất trợ tiếp xúc để lấp các khoảng trống giữa các a-spot và giữ oxy cùng hơi ẩm ở ngoài. Vaseline dùng được, và mỡ chân không gốc silicone chịu được nhiệt cao hơn.

Thiếc thì rẻ và lớp oxit của nó dễ bị phá vỡ dưới áp lực, nhưng nó mềm, nên nó từ biến dưới áp lực kéo dài và dễ hư hại do fretting. Thiếc nguyên chất mọc râu thiếc có thể gây ngắn mạch thoáng qua, nên CDA khuyên không dùng, còn các hợp kim thiếc-chì trước đây từng giải quyết chuyện đó thì nay không còn dùng được vì lý do môi trường. Hợp chất liên kim đồng-thiếc phát triển ở mặt phân giới theo nhiệt độ và có điện trở suất cao hơn cả hai kim loại gốc, khiến thiếc có trần nhiệt độ làm việc thấp nhất trong bốn lựa chọn.

Bạc là lựa chọn có tính năng điện tốt nhất. Oxit của nó dẫn điện và đủ mỏng để bị đẩy đi dưới áp lực tiếp xúc, và nó trụ được ở nhiệt độ cao nhất. Nó đắt, và nó là lựa chọn sai trong khí quyển có lưu huỳnh, nơi bạc sunfua hình thành dễ dàng: nhà máy giấy, nhà máy xử lý nước thải, bất cứ chỗ nào gần nhà máy lọc dầu.

Niken là lớp phủ đa dụng được CDA ưa dùng, vì rẻ, bền và đủ cứng để chịu được thao tác lắp đặt. Cái đánh đổi nằm ở mặt điện. Oxit niken dai và cần áp lực tiếp xúc cao mới phá được, nên một mối nối mạ niken lắp ở đầu thấp của dải áp lực sẽ không đạt yêu cầu, và niken kém ở độ ẩm cao.

Lớp phủ kim loại thì mỏng, thường 2 đến 5 µm, và chỉ bảo vệ được nếu liên tục. Một lỗ kim trong môi trường ăn mòn còn tệ hơn là không mạ, vì nó tập trung sự ăn mòn vào một chỗ.

Ghép cặp với nhôm

Đồng và nhôm tiếp xúc trực tiếp, khi có mặt bất kỳ chất điện ly nào, sẽ tạo thành một pin điện hóa, và nhôm là nửa bị hy sinh. Thế điện cực tiêu chuẩn là +0.34 V với đồng và −1.66 V với nhôm, so với điện cực hydro tiêu chuẩn. Trong một tủ trong nhà khô và kín, bạn có thể thoát được nhiều năm; ở bất cứ nơi nào ẩm hay ven biển thì không. Các cách xử lý, xếp theo chi phí tăng dần, là một hợp chất mối nối bịt mặt phân giới khỏi hơi ẩm, mạ thiếc để hai mặt ghép là cùng loại vật liệu, hoặc một tấm chuyển tiếp lưỡng kim hàn ma sát hay ghép nổ, đưa mặt phân giới giữa hai kim loại khác nhau vào trong nhà máy. Khác biệt về gia công giữa hai kim loại còn đi xa hơn cả chuyện mối nối.

Fretting và chùng ứng suất: mối nối tốt hỏng đi bằng cách nào

Hai cơ chế chậm giải thích phần lớn các mối nối qua được nghiệm thu chạy thử rồi hỏng sau nhiều năm.

Fretting là hư hại bề mặt do chuyển động dao động rất nhỏ tại mặt phân giới, và biên độ nhỏ đến mức đáng kinh ngạc. Dịch chuyển dưới 100 nm là đủ để khởi phát nó, và vì trượt dưới khoảng 125 µm không quét được mạt ra khỏi vùng tiếp xúc, các hạt mòn đã bị oxy hóa nằm lại tại chỗ và tích thành một lớp vật thể thứ ba dày, cách điện. Điện trở tiếp xúc khi đó tăng vọt về phía hở mạch. Dao động đến từ rung động, từ giãn nở nhiệt chênh lệch, hoặc đơn giản là từ việc mối nối nóng lên rồi nguội đi theo chu kỳ tải.

Từ biến và chùng ứng suất là cơ chế còn lại. Từ biến là thay đổi kích thước dưới tải kéo dài; chùng ứng suất là mất áp lực tiếp xúc mà kích thước không đổi, khi biến dạng đàn hồi chuyển thành biến dạng dẻo. Cả hai phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ và ứng suất, và cả hai đều tệ hơn hẳn ở nhôm. Phép so sánh của CDA nêu khác biệt đó rất rõ: nhôm 1080 ủ mềm ở 20 °C có tốc độ từ biến nhỏ nhất 0.022% trên mỗi 1000 giờ tại 26 N/mm², trong khi đồng dẫn điện cao ủ mềm chỉ đạt tốc độ đó ở cùng mức ứng suất khi được nung tới 150 °C.

Đó là toàn bộ vấn đề nối nhôm gói trong một dòng. Ở nhiệt độ phòng, nhôm dưới áp lực tiếp xúc thanh cái thông thường đã từ biến ở tốc độ mà đồng chỉ đạt tới khi vượt xa dải nhiệt độ làm việc của nó. Mối nối nhôm bắt bu lông cần vòng đệm đĩa như một thực hành tiêu chuẩn chứ không phải như một tùy chọn nâng cấp, và chúng cần lịch siết lại mà mối nối đồng không cần.

Xưởng gia công góp phần ở chỗ nào

Độ phẳng trước đã. Braunovic quy tính năng kém của các mối nối không xẻ rãnh cho việc hai thanh cứng vững không áp khớp được vào nhau: một số vùng chịu ứng suất cao và chảy dẻo, những vùng khác gần như không chạm, và diện tích chịu tải cuối cùng chỉ còn nhỏ. Một thanh vênh xoắn 1 mm trên chiều dài của nó sẽ không nằm phẳng áp vào thanh bên cạnh, dù bạn siết mô men nào đi nữa.

Rồi tới bavia. Bavia ở mép lỗ đột là phần kim loại bị đẩy trồi lên khỏi mặt ghép. Nó chống hai thanh ra xa nhau ngay quanh lỗ, đúng chỗ bu lông đặt áp lực, và biến tiếp xúc mặt thành tiếp xúc vòng trên bavia. Máy gọt bavia BND800-2 làm được thanh dày 0.5 đến 50 mm, rộng 100 đến 800 mm ở 5 đến 30 m/min, đủ nhanh để việc gọt bavia mọi thanh là một quyết định về xếp lịch chứ không phải một nút thắt cổ chai.

Chất lượng lỗ đến từ chính nguyên công đó. Đột lỗ với khe hở chày cối đúng để lại thành lỗ sạch và một bavia thoát nhỏ, đều; khe hở quá lớn để lại mép rách và bavia lớn. Vị trí lỗ cũng có ý nghĩa về điện: các lỗ nên nằm thẳng hàng dọc theo mối nối, vì đặt lệch hàng làm dòng điện bị xáo trộn nhiều hơn, và số hạng chi phối hiệu suất mối nối là phần tiết diện mất đi vì lỗ. DIN 43673-1 ấn định vị trí và kích thước lỗ, và là điểm khởi đầu tốt hơn một tiêu chuẩn nội bộ.

Trên các mặt ghép, thứ bạn cần là độ nhám đều và có kiểm soát chứ không phải mặt bóng, cùng với một cạnh có kiểm soát ở ranh giới phần chồng, nơi một góc sắc vừa là điểm tập trung ứng suất trong phân bố áp lực vừa là điểm tập trung điện trường. Hệ quả thứ hai đó là chủ đề của bài vát cạnh và bán kính cạnh thanh cái.

Hình học phần chồng là điểm cuối cùng. Cái giá phải trả do dòng điện bị méo tại một mối nối chồng mí, tức hiệu ứng đường dòng, giảm nhanh khi tỷ số chiều dài chồng trên chiều dày tăng lên tới khoảng 2 rồi đi ngang. Phần chồng rất dài không mua thêm được gì; bạn chỉ cần đủ chiều dài để bố trí những con bu lông tạo ra áp lực tiếp xúc. Có hai thay đổi hình học không tốn thêm gì ở khâu đột. Vát đầu thanh dưới 45° cắt điện trở mối nối ban đầu khoảng 15% và làm chậm mức tăng điện trở dưới chu kỳ tải dòng đi 1.3 đến 1.5 lần. Một rãnh dọc cắt trên cả hai thanh làm giảm điện trở tiếp xúc 30 đến 40%, bằng cách san đều áp lực trên từng nhánh. Cả hai đều rẻ hơn nếu làm ngay trên dây chuyền đột và cắt so với việc phải giải thích về sau.

Một mối nối có hiệu suất dưới 100% chạy nóng hơn phần thanh quanh nó, và trong một tủ đầy mối nối thì nhiệt đó cộng dồn. Công cụ tính khả năng tải dòng cho ra mức nền nhiệt của thanh, chính là ngân sách mà các mối nối phải sống trong đó.