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

Hệ thống thanh cái phần lớn là vấn đề đã được giải quyết. Thanh cái được tính toán từ dòng điện, độ tăng nhiệt được kiểm tra, và kim loại hoạt động như kỳ vọng. Các mối nối là nơi kỹ thuật thực sự nằm, và chúng là nơi tủ điện bị cháy. Nhiều yếu tố quyết định tuổi thọ của mối nối được xác định trong xưởng gia công trước khi thanh cái đến hiện trường: độ phẳng của các bề mặt tiếp xúc, liệu bavia đã được loại bỏ chưa, lỗ được tạo ra như thế nào, và tình trạng bề mặt nơi hai thanh cái gặp nhau.

Diện tích tiếp xúc bề ngoài là một khái niệm lý thuyết

Hai thanh cái 50 mm chồng lên nhau 70 mm tạo ra diện tích tiếp xúc danh nghĩa là 3500 mm². Hầu như không có phần nào trong số đó truyền điện.

Bề mặt thực tế không phẳng. Khi ép lại với nhau, hai thanh cái chỉ chạm vào nhau tại các đỉnh gồ ghề, và dòng điện chỉ đi qua tại những nơi các đỉnh này xuyên qua lớp bề mặt để tạo ra tiếp xúc kim loại với kim loại. Đây là các điểm dẫn điện, được gọi phổ biến là a-spots sau cách trình bày của Holm. Hướng dẫn về thanh cái của Copper Development Association đặt chúng ở mức khoảng 1% diện tích chồng.

Các phép đo cho kết quả kém khả quan hơn. Công trình của Braunovic về các mối nốioltage chồng lớn chịu tải cao, được công bố trên IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies năm 2002, đã tính toán tỷ lệ diện tích dẫn điện thực so với diện tích tiếp xúc dự kiến cho các mối nối thanh cái-đầu nối sử dụng bulông bốn và sáu bulông. Không có xử lý bề mặt nào, tỷ lệ là 0,0003% đến 0,0023%. Sau gia công và bôi trơn, trường hợp tốt nhất đạt khoảng 4%. Ngay cả trong mối nối được chuẩn bị tốt nhất đã kiểm tra, 96% diện tích tiếp xúc không hoạt động.

Mối quan hệ chịu tải đằng sau điều này rất đơn giản: lực tiếp xúc F liên quan đến diện tích bề ngoài A và độ cứng H theo công thức F = ξHA, và Holm đã chứng minh độ cứng liên quan đến ứng suất chảy theo H ≈ 3σy. Vật liệu mềm hơn sẽ chảy ở áp suất thấp hơn và tạo ra nhiều diện tích tiếp xúc thực hơn cho cùng lực bulông, đó là lý do nhôm dễ tạo tiếp xúc chặt chẽ và tại sao nhôm sau đó lại có vấn đề về trượt giãn.

Điện trở co thắt

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

Rc = ρ / 2a

Giữa các kim loại khác nhau, nó trở thành (ρ₁ + ρ₂) / 4a. Tổng điện trở tiếp xúc cộng thêm điện trở lớp Rf = σ/πa², trong đó σ là điện trở trên đơn vị diện tích của bất kỳ lớp oxit hoặc ô nhiễm nào mà dòng điện phải đi qua bằng cách nhật hay nung.

Phần mẫu là quan trọng. Điện trở co thắt tỷ lệ với bán kính spot, không phải diện tích spot, nên việc gấp đôi diện tích một spot chỉ giảm điện trở co thắt của nó khoảng 1,4 lần, trong khi việc gấp đôi số lượng spot sẽ giảm một nửa. Đây là lý do tại sao xử lý bề mặt hiệu quả hơn so với siết lực bulông làm đòn bẩy: lực siết làm tăng kích thước các spot hiện có, xử lý bề mặt tạo ra các spot mới.

Đồng với 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m với một a-spot bán kính 10 µm cho Rc = 862 µΩ chỉ riêng spot đó. Một nghìn spot song song sẽ cho 0,86 µΩ. Mối nối thực tế có giá trị cao hơn con số đó, vì các spot gần nhau sẽ ảnh hưởng lẫn nhau đến trường dòng điện và cụm đó hoạt động một phần như một vùng co thắt lớn hơn, nhưng thứ tự độ lớn giải thích tại sao một mối nối tốt đo được ở mức đơn vị microh姆.

Mục tiêu áp suất tiếp xúc

Điện trở tiếp xúc giảm mạnh khi áp suất tiếp xúc tăng và sau đó ngừng giảm. Hướng dẫn của CDA rất cụ thể: trên khoảng 30 N/mm² thì cải thiện rất ít, dưới 7 N/mm² là không nên trong hầu hết các trường hợp, và áp suất trên 10 N/mm² là ưa thích. Nghiên cứu độc lập về các mối nối thanh cái đồng đã thử nghiệm từ 6 đến 36 MPa và phát hiện điện trở tiếp xúc giảm từ khoảng 16 µΩ ở 6 MPa xuống khoảng 11 µΩ ở 30 MPa, không có lợi ích đáng kể nào vượt quá mức đó.

Mục tiêu thiết kế là một dải, không phải một giá trị tối đa: somewhere between 10 và 30 N/mm² trung bình trên bề mặt tiếp xúc. Đây là một dải vì áp suất không hề đồng đều trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc.

Mô-men xoắn là thay thế cho lực siết trước, và là một thay thế tồi

Áp suất tiếp xúc không thể được đo tại hiện trường. Nó được suy ra từ mô-men xoắn của bu-lông thông qua:

T = K F D

trong đó T là mô-men xoắn tính bằng Nm, F là lực bu-lông tính bằng N, D là đường kính danh nghĩa của bu-lông tính bằng m, và K là hệ số đai ốc, phụ thuộc vào ma sát ren, độ hoàn thiện bề mặt, lớp mạ và tình trạng bôi trơn. CDA trích dẫn giá trị từ 0,20 đến 0,22 khi khô, 0,19 đến 0,21 với hợp chất hỗ trợ tiếp xúc, và 0,15 đến 0,16 với dầu bôi trơn biên giới molypden đisunfua. Tính toán trên cấu hình được liệt kê riêng của CDA cho thanh 50 mm: 70 mm chồng lắp, diện tích mối nối 3500 mm², hai bu-lông M12 với mô-men xoắn 45 Nm.

Cùng một cờ lê lực, cùng một thiết lập, cùng một thợ lắp. Chênh lệch 47% về lực siết trước, và mối nối rơi vào hoặc nằm thoải mái trong dải ưa thích hoặc hơi dưới nó tùy thuộc vào việc ren có được lau sạch hay không. Đó là trước khi tính đến hiệu chuẩn cờ lê hoặc trình tự siết bu-lông. Điều khiển mô-men xoắn không vô dụng, nhưng tự nó chỉ tạo ra một mối nối mà không thể khẳng định được áp suất tiếp xúc, và đây là lý do lớn khiến dải khuyến nghị lại rộng đến vậy.

Vòng đệm lò xo Belleville xứng đáng với vị trí của mình về mặt nhiệt

Lý do thứ hai khiến lực siết trước không giữ nguyên vị trí được đặt là do nhiệt độ.

IEC 61439-1 cho phép tăng nhiệt độ 105 K trên thanh cái đồng trần, vì vậy một thanh trong môi trường 35 °C có thể hợp pháp ở mức 140 °C. Bu-lông xuyên qua nó không ở cùng nhiệt độ cũng như không có hệ số giãn nở giống nhau. Đồng có hệ số giãn nở khoảng 16,5 × 10⁻⁶ /°C, thép cường độ cao là 11,1 × 10⁻⁶, và đồng nhôm gang CW307G là 16,2 × 10⁻⁶.

Với bu lông thép xuyên qua mối nối đồng, đồng giãn nở nhanh hơn bu lông, làm tăng lực siết bu lông khi mối nối nóng lên. Điều này nghe có vẻ hữu ích nhưng thực tế không phải vậy. CDA yêu cầu lực siết bu lông tối đa trong toàn bộ dải hoạt động phải giữ dưới 95% giới hạn bền, vì bu lông bị kéo quá giới hạn chảy sẽ không trở lại dạng ban đầu, và khi nguội, mối nối sẽ lỏng hơn lúc đầu. Lặp lại chu trình này hàng ngày trong mười năm sẽ làm mối nối giảm lực hoàn toàn.

Có hai giải pháp. Một là sử dụng bu lông có hệ số giãn nở tương đương đồng, đó là lý do CW307G ở mức 16,2 × 10⁻⁶ so với 16,5 của đồng, sự chênh lệch đủ nhỏ để lực siết gần như không thay đổi. Cách khác là giữ bu lông thép và đặt thêm đĩa lò xo trong lớp đệm, được tính toán về chiều cao và độ cứng lòxo sao cho sự giãn nở nhiệt sẽ nén lò xo thay vì kéo giãn bu lông.

Đĩa lò xo Belleville thường được bán như biện pháp chống rung. Chức năng của chúng ở đây không phải vậy. Chúng là yếu tố đệm biến đổi mối nối bu lông cứng, hành trình ngắn thành mối nối mềm hơn, để vài phần trăm milimét sự giãn nở khác biệt không trở thành thay đổi lớn về lực. Các mối nối của Braunovic sử dụng đệm phẳng dày 3 đến 4 mm, đường kính gấp 1,4 lần đĩa lò xo, để ngăn cạnh lò xo cắm vào bề mặt.

Chuẩn bị bề mặt thực sự hiệu quả

Braunovic đo điện trở tiếp xúc của mối nối trên phần cứng giống nhau, chỉ thay đổi xử lý bề mặt. Mối nối bốn và sáu bu lông, 60 Nm, đĩa lò xo, 150 A DC, trung bình các đọc trong một giờ.

Đây là pad nối nhôm tiếp xúc với thanh cái nhôm, nên giá trị tuyệt đối không áp dụng trực tiếp cho mối nối đồng. Tỷ lệ mới là điểm quan trọng. Giữa bề mặt nguyên trạng và bề mặt đã gia công-bôi trơn trên cùng phần cứng, điện trở tiếp xúc giảm 24 lần trên cấu hình bốn bu lông và 70 lần trên sáu bu lông. Không hành động nào với cờ lê moment có thể sánh được.

Bề mặt gia công cũng vượt trội hơn bề mặt đánh dây, do chiều cao và khoảng cách đều đặn của các rãnh gia công tạo ra diện tích chịu tải có thể kiểm soát tốt hơn. Hướng của kết quả này đáng chú ý: bề mặt thô có chủ ý tốt hơn bề mặt đánh bóng mịn, vì các điểm nhọn xuyên qua lớp ô-xít với tải thấp hơn nhiều so với các điểm tù. Đánh bóng bề mặt mối nối thành gương là không hiệu quả.

Các con số như 'đồng sáng 3 đến 5 µΩ, ô-xít nhẹ 15 đến 25 µΩ, ô-xít nặng 50 đến 200 µΩ' được trích dẫn ở nhiều nơi. Không tìm được phép đo gốc cho các số này, và giá trị điện trở tiếp xúc không có ý nghĩa nếu thiếu thông số hình học mối nối, số lượng bu lông và dòng điện thử nghiệm đi kèm. Chúng minh họa thứ tự ưu tiên, không phải dữ liệu thiết kế.

Mạ: bốn lựa chọn, bốn chế độ lỗi khác nhau

Đồng thô là mặc định, và là mặc định tốt hơn nhiều so với thường giả định. Đồng bị ô-xít hóa chậm, và màng hình thành là bán dẫn chứ không phải cách điện, vì các ion đồng khuếch tán vào màng và dòng điện truyền theo cả hai chiều. CDA không khuyến nghị mạ cho các mối nối đồng-đồng trừ khi môi trường yêu cầu, vì lý do có thể gây bất ngờ: vật liệu mạ mềm, và lớp mềm có thể chảy khi nóng và giảm áp lực tiếp xúc. Đồng thô cần hợp chất trợ tiếp xúc để lấp đầy khoảng trống giữa các vị trí tiếp xúc thực (a-spots) và ngăn ôxy và hơi ẩm. Mỡ petroleum jelly hoạt động được, và mỡ bôi trơn chân không silicone chịu nhiệt tốt hơn.

Thiếc rẻ và ô-xít của nó dễ bị phá vỡ dưới áp lực, nhưng nó mềm, nên bị biến dạng lâu dưới áp lực kéo dài và dễ bị hỏng do mòn tiếp xúc (fretting). Thiếc nguyên chất tạo ra các sợi tinh thể (whiskers) có thể gây ngắn mạch tạm thời, nên CDA khuyên không dùng, và các hợp kim thiếc-chì trước đây giải quyết vấn đề này giờ bị loại bỏ về mặt môi trường. Các hợp kim đồng-thiếc phát triển ở bề mặt tiếp xúc theo nhiệt độ và có điện trở cao hơn cả hai kim loại gốc, khiến thiếc có nhiệt độ dịch vụ thấp nhất trong bốn loại.

Bạc có hiệu suất điện tốt nhất. Oxit của bạc dẫn điện và đủ mỏng để bị ép lệch dưới áp lực tiếp xúc, đồng thời chịu được nhiệt độ cao nhất. Bạc đắt tiền và không phù hợp trong các môi trường chứa lưu huỳnh, nơi mà sulphide bạc hình thành dễ dàng: nhà máy giấy, nhà máy xử lý nước thải, hoặc bất kỳ khu vực nào gần nhà máy lọc dầu.

Niken là lớp phủ đa dụng được ưa chuộng nhất của CDA, do giá rẻ, bền và đủ cứng để chịu được quá trình lắp đặt. Đổi lại là hiệu suất điện. Oxit nickel dai và cần áp lực tiếp xúc cao để phá vỡ, nên mối nối được mạ nickel lắp ở giới hạn thấp của dải sẽ không hoạt động hiệu quả, và nickel hoạt động kém trong môi trường ẩm ướt cao.

Các lớp phủ kim loại rất mỏng, thường từ 2 đến 5 µm, và chỉ bảo vệ khi chúng liên tục. Lỗ thủng trong môi trường ăn mòn còn tệ hơn không có lớp mạ, vì nó tập trung sự tấn công.

Phối hợp với nhôm

Đồng và nhôm tiếp xúc trực tiếp với bất kỳ chất điện phân nào hiện diện sẽ tạo thành một cell điện hóa, và nhôm là cực chịu ăn mòn. Tiêu chuẩn điện cực so với điện cực hydro chuẩn là +0.34 V cho đồng và −1.66 V cho nhôm. Trong tủ điện kín khô, mối nối có thể tồn tại nhiều năm; nhưng trong bất kỳ môi trường ẩm ướt hay ven biển nào thì không thể. Các giải pháp, theo thứ tự chi phí tăng dần, là: hợp chất kết nối để kín interfaces chống lại hơi ẩm, mạ thiếc để các bề mặt tiếp xúc tương đồng, hoặc tấm chuyển tiếp lưỡng kim loại được hàn ma sát hoặc nổ, đưa interfaces kim loại khác nhau vào nhà máy. Sự khác biệt trong gia công giữa hai loại kim loại còn vượt xa hơn mối nối.

Mài mòn vi động và stress relaxation: tại sao các mối nối tốt bị hỏng

Hai cơ chế chậm giải thích phần lớn các mối nối vượt qua kiểm tra ban đầu nhưng lại hỏng sau nhiều năm.

Mài mòn vi động là hư hỏng bề mặt do chuyển động dao động rất nhỏ tại interfaces, và biên độ nhỏ đến đáng kinh ngạc. Dịch chuyển dưới 100 nm đã đủ để bắt đầu, và vì trượt dưới khoảng 125 µm không thể quét tạp chất ra khỏi vùng tiếp xúc, các hạt mài mòn bị oxy hóa vẫn ở đó và tích tụ thành lớp vật chất cách điện dày. Điện trở tiếp xúc sau đó tăng mạnh đến mức hở mạch. Sự dao động đến từ rung động, sự giãn nở nhiệt khác nhau, hoặc mối nối đơn giản nóng lên và nguội đi theo chu kỳ tải.

Trượt dẻo và stress relaxation là cơ chế còn lại. Trượt dẻo là biến đổi kích thước dưới tải duy trì; stress relaxation là mất áp lực tiếp xúc mà không đổi kích thước, khi biến dạng đàn hồi chuyển sang biến dạng nhựa. Cả hai phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ và ứng suất, và cả hai nghiêm trọng hơn đáng kể ở nhôm. So sánh của CDA nêu rõ sự khác biệt: nhôm 1080 được tôi luyện ở 20 °C có tốc độ trượt dẻo tối thiểu là 0,022% trên 1000 giờ ở ứng suất 26 N/mm², trong khi đồng dẫn điện cao được tôi luyện chỉ đạt tốc độ đó ở cùng ứng suất khi được nung đến 150 °C.

Đó chính là vấn đề kết nối nhôm trong một dòng. Ở nhiệt độ phòng, nhôm dưới áp lực tiếp xúc thanh cái bình thường đã bị trượt dẻo với tốc độ mà đồng chỉ gặp phải ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với phạm vi dịch vụ của nó. Các mối nối nhôm bắt bu-lông cần lò xo đĩa như biện pháp tiêu chuẩn chứ không phải là nâng cấp, và chúng cần lịch siết lại theo lịch trình mà các mối nối đồng không cần.

Vai trò của xưởng gia công

Độ phẳng là ưu tiên hàng đầu. Braunovic cho rằng hiệu suất kém của các mối nối không có rãnh là do sự không thẳng hàng giữa các thanh cứng: một số vùng chịu ứng suất cao và biến dạng, trong khi những vùng khác gần như không tiếp xúc, khiến diện tích chịu tải cuối cùng nhỏ lại. Một thanh bị vặn 1 mm trên chiều dài sẽ không nằm phẳng với thanh kề bên dù áp dụng lực siết bao nhiêu.

Sau đó là baiface. Một baiface trên mép lỗ đột là kim loại nổi lên cao hơn mặt tiếp xúc. Nó giữ các thanh cách xa nhau quanh lỗ, đúng nơi bolt tạo áp lực, và chuyển đổi tiếp xúc mặt thành tiếp xúc vành trên baiface. Máy gọt baiface BND800-2 xử lý thanh dày 0,5 đến 50 mm và rộng 100 đến 800 mm với tốc độ 5 đến 30 m/min, đủ nhanh để việc gọt baiface mỗi thanh là một quyết định lập lịch trình hơn là một nút thắt cổ chai.

Chất lượng lỗ bắt nguồn từ cùng một thao tác. Đột với độ hở chính xác tạo ra thành lỗ sạch và một baiface ra nhỏ, nhất quán; độ hở quá lớn tạo ra mép rách và baiface lớn. Vị trí cũng quan trọng về mặt điện: lỗ nên nằm thẳng hàng dọc theo mối nối, vì việc dịch chuyển chúng gây nhiễu dòng điện hơn nữa, và yếu tố chiếm ưu thế trong hiệu suất mối nối là mặt cắt ngang bị mất do các lỗ. DIN 43673-1 quy định vị trí và kích thước lỗ và là điểm xuất phát tốt hơn tiêu chuẩn nội bộ.

Trên bề mặt tiếp xúc, độ nhám đều, kiểm soát được là mong muốn hơn là đánh bóng, và một mép được kiểm soát tại ranh giới chồng lắp, nơi góc nhọn vừa là điểm tập trung ứng suất trong phân bố áp lực vừa là điểm tập trung điện trường. Hệ quả thứ hai là chủ đề của phay xẻ và bo tròn mép thanh cái.

Hình học chồng lắp là yếu tố cuối cùng. Hình phạt méo dòng điện tại mối nối chồng lắp, hiệu ứng dòng chảy, giảm nhanh khi tỉ lệ chồngắp/độ dày tăng lên khoảng 2 và sau đó bằng phẳng. Các mối chồng lắp rất dài không mang lại lợi ích gì; cần đủ chiều dài để lắp các bolt tạo ra áp lực tiếp xúc. Hai thay đổi hình học được thực hiện miễn phí tại giai đoạn đột. Góc nghiêng đầu thanh nhỏ hơn 45° cắt giảm điện trở mối nối ban đầu khoảng 15% và làm chậm sự gia tăng điện trở dưới chu kỳ dòng điện từ 1,3 đến 1,5 lần. Một khe dọc cắt trên cả hai thanh giảm điện trở tiếp xúc từ 30 đến 40%, bằng cách cân bằng áp lực trên mỗi chân. Cả hai đều rẻ hơn để thực hiện trên dây chuyền đột và cắt hơn là giải thích sau này.

Một mối nối dưới 100% hiệu suất hoạt động nóng hơn thanh xung quanh nó, và trong một tủ đầy các mối nối, nhiệt đó tích lũy. Máy tính dòng cho phép cho biết cơ sở nhiệt của thanh, đó là ngân sách mà các mối nối phải sống trong đó.