螺栓母排接头的可靠性由什么决定

一段母线本身基本上是个已经解决的问题：按电流选定母排截面，验证温升，金属该怎么表现就怎么表现。真正的工程内容在接头上，而配电柜也正是在接头处烧毁的。决定一个接头使用寿命的大部分因素，在母排到达现场之前就已经在加工车间里定下来了：贴合面有多平、毛刺有没有去掉、孔是怎么做出来的，以及两根母排相触的那片表面是什么状态。

名义接触面积是个假象

两根 50 mm 宽的母排搭接 70 mm，名义接触面积为 3500 mm²。其中几乎没有多少面积在通电流。

真实表面并不平整。压紧之后，两根母排只在微凸体的峰顶接触，而电流只在这些峰顶穿透表面膜、形成金属与金属直接接触的位置通过。这些导电斑点自 Holm 的论述以来通行地称为 a 斑点。Copper Development Association（CDA）的母排指南给出的量级是搭接面积的约 1%。

实测数据没有这么好看。Braunovic 关于大电流搭接螺栓接头的研究，2002 年发表于 IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，计算了四螺栓和六螺栓的连接件对母排接头中真实导电面积与预期接触面积之比。未做任何表面处理时，这一比值为 0.0003% 至 0.0023%。经机加工并涂润滑剂后，最好的一组约为 4%。即便是试验中处理得最好的接头，也有 96% 的接触面积没有起作用。

其背后的承载关系并不复杂：接触力 F 与名义面积 A、硬度 H 的关系为 F = ξHA，而 Holm 证明硬度与屈服应力的关系为 H ≈ 3σy。较软的材料在更低的压力下就屈服，同样的螺栓载荷下能得到更多真实接触面积——这既是铝容易形成紧密接触的原因，也是铝随之带来蠕变问题的原因。

收缩电阻

由于电流只能在 a 斑点处通过，母材内部的电流线要收敛进入每一个斑点、再从中发散出来。这种收敛本身就构成一项电阻，与任何表面膜无关，称为收缩电阻。对于电阻率均为 ρ 的两种相同金属之间、半径为 a 的单个圆形斑点：

Rc = ρ / 2a

两种不同金属之间则变为 (ρ₁ + ρ₂) / 4a。总接触电阻还要加上膜电阻 Rf = σ/πa²，其中 σ 是电流必须隧穿或击穿（fritting）的氧化膜或污染膜的单位面积电阻。

分母才是关键所在。收缩电阻随斑点的半径变化，而不是随斑点面积变化，因此把一个斑点的面积加倍，其收缩电阻只减小约 1.4 倍，而把斑点的数量加倍则使电阻减半。这就是表面处理比螺栓拧紧力矩更有效的原因：力矩只是把已有的斑点变大，表面处理则制造出新的斑点。

代入数值看一下。铜的电阻率为 1.724 × 10⁻⁸ Ω·m，一个半径 10 µm 的 a 斑点单独给出 Rc = 862 µΩ。一千个并联则为 0.86 µΩ。真实接头会高于这个值，因为间距很近的斑点会相互干扰各自的电流场，斑点群在一定程度上表现得像一个更大的收缩点——但这个量级足以解释为什么一个好接头的测值是个位数微欧。

接触压力目标

接触电阻随接触压力急剧下降，随后就不再下降了。CDA 的指南说得很具体：超过约 30 N/mm² 后几乎不再改善；多数情况下不宜低于 7 N/mm²；压力高于 10 N/mm² 为宜。另有针对铜母排连接的独立研究在 6 至 36 MPa 范围内做了试验，发现接触电阻从 6 MPa 时的约 16 µΩ 降到 30 MPa 时的约 11 µΩ，再往上没有明显收益。

所以设计目标是一个区间，而不是一个上限：按搭接面平均，落在 10 至 30 N/mm² 之间。之所以是区间而不是一个具体数值，是因为压力在整个搭接面上远谈不上均匀。

拧紧力矩是预紧力的替代指标，而且是个不好的替代指标

接触压力在现场无法测量，只能通过螺栓拧紧力矩推算：

T = K F D

式中 T 为拧紧力矩，单位 Nm；F 为螺栓轴力，单位 N；D 为螺栓公称直径，单位 m；K 为螺母系数，取决于螺纹摩擦、表面粗糙度、镀层和润滑状态。CDA 给出的取值是：干态 0.20 至 0.22，涂导电膏时 0.19 至 0.21，使用二硫化钼边界润滑剂时 0.15 至 0.16。用 CDA 自己列表给出的 50 mm 母排布置算一遍：搭接 70 mm、接头面积 3500 mm²、两颗 M12 螺栓、拧紧力矩 45 Nm。

同一把力矩扳手、同一个设定值、同一个装配工。预紧力却有 47% 的离散，接头究竟是稳稳落在推荐区间内、还是略低于区间，取决于有没有人擦过螺纹。这还没有算上扳手校准和拧紧顺序。力矩控制并非没有用，但仅靠它，您得到的是一个无法声明接触压力的接头——推荐区间之所以定得这么宽，很大程度上正是因为这一点。

蝶形垫圈的价值在热的一侧

预紧力不会停留在您设定的位置上，第二个原因是温度。

IEC 61439-1 允许裸铜母排的温升达到 105 K，因此在 35 °C 环境温度下，一根母排合规地工作在 140 °C 是可能的。穿过接头的螺栓既不处于同一温度，膨胀系数也不相同。铜约为 16.5 × 10⁻⁶ 每 °C，高强度钢为 11.1 × 10⁻⁶，铝青铜 CW307G 为 16.2 × 10⁻⁶。

钢螺栓穿过铜接头时，铜的膨胀快于螺栓，因此接头升温时螺栓张力上升。这听起来像好事，其实不是。CDA 要求整个工作范围内任何位置的最大螺栓张力都低于保证应力的 95%，因为螺栓一旦被拉过屈服点就回不来了，冷却后接头比初始状态更松。这样每天循环十年，接头就松弛到没有预紧力可言。

有两条出路。一是选用膨胀系数与铜匹配的螺栓——这正是 CW307G 的理由，其 16.2 × 10⁻⁶ 对铜的 16.5 × 10⁻⁶，差值小到张力几乎不变。二是保留钢螺栓，在垫圈组中加入碟簧垫圈，按高度和刚度选型，使热膨胀去压缩碟簧，而不是去拉伸螺栓。

蝶形垫圈通常是作为防振件卖出去的。在这里它起的不是这个作用。它是一个柔性元件，把刚度大、行程小的螺栓接头变成较软的接头，使几百分之一毫米的膨胀差不至于变成载荷的大幅变化。Braunovic 的接头使用了 3 至 4 mm 厚的平垫圈，直径为碟簧直径的 1.4 倍，以防碟簧边缘压入母排。

表面处理到底值多少

Braunovic 在完全相同的硬件上测量了接头接触电阻，除表面处理外不改变任何条件。四螺栓和六螺栓接头，60 Nm，碟簧垫圈，150 A 直流，取一小时内读数的平均值。

这些是铝连接件接触面对铝母排的数据，因此不要把绝对值直接搬到铜接头上。有意义的是比例关系。在同一套硬件上，从来料状态到机加工并涂润滑剂，四螺栓配置的接触电阻降为原来的 1/24，六螺栓配置降为 1/70。用力矩扳手能做的任何事都远达不到这个幅度。

机加工表面也优于钢丝刷打磨的表面，原因被归结为机加工纹路的高度和间距均匀，使承载面积更可控。注意这里的方向：有意做粗的表面胜过磨得光滑的表面，因为尖锐的微凸体在远低于钝头微凸体的载荷下就能刺穿氧化层。把接头面抛成镜面反而适得其反。

您还会在不少地方看到这样一组数字：“光亮铜 3 至 5 µΩ、轻度失泽 15 至 25 µΩ、重度氧化 50 至 200 µΩ”。我们没能追溯到它们的原始测量出处；而且一个接触电阻数值如果不同时给出接头几何、螺栓数量和试验电流，是没有意义的。把它们当作数量级排序的示意，而不是设计数据。

镀层：四种选择，四种不同的失效方式

裸铜是默认做法，而且比多数人以为的更好。铜氧化缓慢，所形成的膜是半导体性的而非绝缘性的，因为铜离子会扩散进膜内，导电在两个方向上都能进行。除非环境有要求，CDA 并不推荐对铜与铜之间的接头做电镀，理由常令人意外：镀层材料软，软层受热会流动，反而降低接触压力。裸铜确实需要涂导电膏，用来填充 a 斑点之间的空隙，把氧和水汽挡在外面。凡士林可用，硅基真空脂的耐温更高。

镀锡便宜，其氧化物在压力下容易被破坏，但锡软，在持续压力下会蠕变，在微动磨损下也容易损伤。纯锡会长出锡须，可能造成瞬时短路，因此 CDA 不建议使用；而历史上用来解决锡须问题的锡铅合金，如今出于环保原因已不可选。铜锡金属间化合物会随温度在界面处长大，其电阻率高于两种母材中的任何一种，这使镀锡的使用温度上限在四者中最低。

镀银的电气性能最好。银的氧化物导电，且薄到能在接触压力下被挤开，耐温也最高。它昂贵，并且在含硫气氛中是错误的选择——那里容易生成硫化银：造纸厂、污水处理厂，以及炼油厂附近的任何地方。

镀镍是 CDA 首选的通用镀层：便宜、耐用，硬度足以经受安装搬运。代价在电气性能上。氧化镍坚韧，需要较高的接触压力才能刺穿，因此在压力区间下限装配的镀镍接头不会有好表现；镍在高湿度环境下的表现也不好。

金属镀层很薄，通常为 2 至 5 µm，只有连续完整才有防护作用。在腐蚀性环境中，一个针孔比不镀更糟，因为它会使腐蚀集中在一点。

与铝配对

铜和铝直接接触，只要存在电解质，就构成一个原电池，而被牺牲的一半是铝。相对标准氢电极，铜的标准电极电位为 +0.34 V，铝为 −1.66 V。在干燥密封的户内柜中，这样用上多年也许不会出事；在任何潮湿或沿海环境中则不行。补救办法按成本从低到高依次是：使用把界面对水汽封闭起来的接头膏；镀锡，使配合面变成同种金属对同种金属；或者采用摩擦焊或爆炸复合的双金属过渡板，把异种金属界面移到工厂里去完成。这两种金属在加工上的差别不止于接头。

微动磨损与应力松弛：好接头是怎么变坏的

通过了调试、却在数年后失效的接头，大多可以归因于两种缓慢的机制。

微动磨损是界面上极微小的往复运动造成的表面损伤，其幅值之小令人意外。低于 100 nm 的位移就足以引发它；而由于低于约 125 µm 的滑移无法把磨屑扫出接触区，氧化的磨损颗粒就留在原处，逐渐堆积成一层厚的绝缘性第三体。接触电阻随之急剧上升，趋向开路。这种往复运动来自振动、热膨胀差，或者仅仅是接头随负荷循环而反复升温降温。

另一种是蠕变与应力松弛。蠕变是持续载荷下的尺寸变化；应力松弛是在尺寸不变的情况下失去接触压力，弹性应变转变为塑性应变。两者都与时间、温度和应力有关，而且在铝上都明显更严重。CDA 的对比把差别说得很清楚：退火态 1080 铝在 20 °C、26 N/mm² 下的最小蠕变速率为每 1000 小时 0.022%；而退火态高导电性铜在同样应力下要加热到 150 °C 才达到这个速率。

这一句话就把铝接头的问题说尽了。在室温下、在正常的母排接触压力下，铝的蠕变速率已经达到铜要远高于其使用温度范围才会达到的水平。铝的螺栓接头需要把碟簧垫圈作为标准做法而不是选装升级，还需要铜接头不需要的定期复紧计划。

加工车间的作用在哪里

首先是平面度。Braunovic 把未开槽接头表现较差归因于刚性母排之间的贴合不齐：有些区域应力很高并发生屈服，另一些区域几乎不接触，最终承载面积很小。一根全长上有 1 mm 扭曲的母排，无论施加多大力矩，都不会平贴在相邻母排上。

其次是毛刺。冲孔边缘的毛刺是高出贴合面的翻起金属。它在孔周围把两根母排顶开，而那里正是螺栓施加压力的位置，于是面接触变成了毛刺上的环状接触。BND800-2 去毛刺机可加工厚 0.5 至 50 mm、宽 100 至 800 mm 的母排，速度 5 至 30 m/min，快到“每根母排都去毛刺”只是一个排产安排问题，而不是瓶颈。

孔的质量出自同一道工序。冲孔时冲裁间隙正确，孔壁干净，出口毛刺小而一致；间隙过大则留下撕裂的边缘和大毛刺。孔位在电气上同样有影响：孔应沿接头方向排成一列，因为错开布置会对电流分布造成更大的扰动；而接头效率中的主导项是孔所损失的截面积。DIN 43673-1 规定了孔位和孔径，作为出发点比自定的企业标准更好。

在贴合面上，您要的是均匀、可控的粗糙度，而不是抛光；在搭接边界处则要有一个受控的边缘——那里的尖角既是压力分布中的应力集中点，也是电场集中点。后一项后果正是母排倒角与边缘圆角一文的主题。

最后一项是搭接几何。搭接接头处的电流畸变损失，即所谓流线效应，随搭接长度与厚度之比上升到约 2 而迅速下降，之后趋于平坦。搭接做得很长买不到任何好处；长度够装下产生接触压力的螺栓即可。有两项几何改动在冲孔工序上是免费的。把母排端部切成小于 45° 的斜角，可使初始接头电阻降低约 15%，并使电流循环下电阻上升的速度减慢 1.3 至 1.5 倍。在两根母排上各开一条纵向长槽，可使接触电阻降低 30% 至 40%，机理是把压力在每一条支路上摊平。这两项在冲剪生产线上做出来，都比事后解释便宜。

效率低于 100% 的接头，温度高于它周围的母排；在一个满是接头的柜子里，这些热量是累加的。载流量计算器给出母排的热基准，而这正是接头必须待在其中的热预算。