Walory połączeń wykonanych z wykorzystaniem miedzi i stopów miedzi

Połączenie jest to inaczej zespolenie ze sobą elementów, które razem mogą pracować oraz wspólnie przenosić obciążenia. Zatem istotne jest aby dane połączenie wykazywało wysokie własności mechaniczne, a dla aplikacji związanych z przesyłem prądu, także wysokie własności elektryczne. Łączenie elementów można zrealizować na dwa sposoby: rozłączny oraz nierozłączny. W przypadku połączenia nierozłącznego, próba rozdzielenia zespolonych części kończy się ich uszkodzeniem. Z kolei sposób rozłączny, pozwala na wielokrotne łączenie i rozłączanie elementów. Do połączeń nierozłącznych należą połączenia: spawane, lutowane, zgrzewane i klejone, zaliczane do metod spajania oraz połączenia nitowane. Natomiast połączenia rozłączne mogą być: kształtowe (klinowe, wpustowe, wielowypustowe, sworzeniowe, kołkowe), gwintowe i wciskowe (wtłaczane, skurczowe).

Jaki materiał dedykowany jest na połączenia w aplikacjach dla energetyki?

Odpowiedź jest prosta, analizując własności elektryczne i mechaniczne wszystkich ujętych w tablicy Mendelejewa pierwiastków, gdyż miedź charakteryzuje się wysokim poziomem obu parametrów. W celu parametryzacji i ujęciu za pomocą jednej liczby, własności wytrzymałościowych i elektrycznych materiału, można posłużyć się współczynnikiem elektromechanicznej efektywności  W_EF = R_m/ϒρ  (gdzie: R_m – wytrzymałość na rozciąganie; ϒ – ciężar właściwy; 1/ρ – konduktywność). Im większa jest wartość W_EF, tym korzystniejsza jest kompozycja własności mechanicznych i elektrycznych danego materiału i tym samym lepszy jest rozpatrywany materiał z punktu widzenia jego pracy w roli połączenia stosowanego w w aplikacjach dla energetyki. W tablicy poniżej przedstawiono przykładowe porównanie współczynnika W_EF dla Al i Cu, gdzie miedź osiąga dużo wyższą wartość współczynnika elektromechanicznej efektywności.

Wyższość miedzi nad innymi metalami stosowanymi na połączenia, wynika również z jej wysokiej odporności reologicznej. Bowiem w większości rodzajów połączeń występuje efekt ich luzowania się za co odpowiedzialne są zachodzące w materiale zjawiska relaksacji naprężeń. W celu ograniczenia tego zjawiska korzystnie jest stosować miedź, która charakteryzuje się wysoką odpornością reologiczną. Dodatkowo np. w połączeniach śrubowych do zminimalizowania zjawiska odkręcania się śrub/nakrętek stosuje się również różnego rodzaju podkładki tj.: podkładki sprężyste, nakrętki koronowe z zawleczką, przeciwnakrętki, podkładki doginane, ząbkowe oraz sprężyny, które zwiększają tarcie pomiędzy gwintem śruby i nakrętką. Należy również zwrócić uwagę na to, że problem luzowania się połączeń przez które przepływa prąd elektryczny, wpływa jednocześnie na ich przegrzewanie się. Z tego punktu widzenia miedź jest bardziej tolerancyjna na tego typu problemy tj. zmiany temperatur pracy.

Ważnym aspektem podczas łączenia elementów jest również kruchość oraz giętkość materiałów tworzących połączenie. Ponieważ podczas łączenia elementów często należy odpowiednio je odkształcić/odgiąć/zgiąć, to nie mogą być one kruche i wrażliwe na przeginanie (jak np. Al). Analizując z kolei połączenia dedykowane dla energetyki (np. połączenia drutów nawojowych w transformatorach złączkami) to druty miedziane będą mieć mniejszy przekrój poprzeczny w porównaniu chociażby do drutów aluminiowych o tej samej znamionowej obciążalności prądowej. Tym samym cieńsze druty miedziane łatwiej będą dawały się giąć w porównaniu do grubszych aluminiowych. Między innymi te cechy (łatwość gięcia, mniejsza kruchość) miedzi ułatwiają tworzenie pewnych połączeń.

Literatura

1. Hansjorg Lipowsky, Emin Arpaci: „Copper in the Automotive Industry”. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2007.
2. J.R.Davis & Associates: „Copper and Copper Alloys”. ASM Speciality Handbook, 2001.