Résistance électrique du contact

Une campagne d’essais a été réalisée en utilisant un couple CuSn4-CuSn4 pour étudier l’évolution de la résistance électrique de contact Rc sur des durées de 25 000 cycles et pour comparer les deux modes d’asservissement avec des amplitudes de déplacement équivalentes sous une charge normale de 6 N.

Pour une amplitude de déplacement équivalente de ± 15 µm, l’évolution de la résistance électrique de contact Rc en fonction du temps montre deux phases bien définies (Figure 3.23) :

• La première phase correspond à un contact électrique établi, avec une résistance électrique de contact très faible, garantissant le passage adéquat du courant injecté par le circuit 4 fils. La résistance du contact reste constante à Rc = 1,7 mΩ pendant les premières 1185 s (distance de 0,55 m) en déplacement imposé et pendant les premières 863 s (soit une distance totale parcourue de 0,49 m) à force d’actionneur imposée. • La seconde phase correspond à la perte de conductivité du contact. La valeur de la

résistance électrique de contact Rc commence à augmenter de façon irréversible pour atteindre un seuil maximal de 10 Ω. Le contact électrique est dégradé, la résistance électrique montre un comportement instable avec de petites chutes aléatoires pendant la durée de l’essai.

Ce comportement, commun pour les deux modes d’asservissement, est en accord avec l’apparition différée d’une couche oxydée isolante, stable et pérenne dans le contact.

Figure 3.23 : Évolution de la résistance électrique de contact en couple CuSn4-CuSn4, (a) à déplacement imposé δi = ± 15 µm, (b) à force actionneur imposée Fai = ± 15 N

(f = 10 Hz, Nc = 25 000 cycles, FN = 6 N, I = 100 mA).

Pour une amplitude de déplacement équivalente de ± 40 µm, l’évolution de la résistance électrique de contact Rc en fonction du temps montre un comportement différent avec une succession de phase à faible et à forte résistance (Figure 3.24) :

• Une première phase correspondant à un contact électrique établi, est retrouvée dans les premiers cycles avec une valeur stable et faible de Rc = 0,17 mΩ. Cette phase, de plus (a)

courte durée qu’à ± 15 µm, se prolonge comme précédemment un peu plus en déplacement imposé (646 s) qu’à force imposée (561 s).

• Une seconde phase se caractérise par l’apparition subite de pics à plus forte résistance électrique de contact Rc témoignant d’une perte de conductivité, suivi par le rétablissement plus ou moins périodique d’un contact électrique à faible résistance. Ces pics de résistance ne dépassent pas 4 Ω en déplacement imposé alors qu’ils montent jusqu’à 30 Ω à force d’actionneur imposée.

Ce changement de comportement électrique, semblable pour les deux modes d’asservissement, peut s’expliquer en considérant qu’une amplitude de ± 40 µm favorise la circulation et l’éjection de débris, perturbant la stabilité du film d’oxyde isolant entre les surfaces et ralentissant la perte totale de conductivité. Néanmoins la perte de conductivité est irréversible à terme.

Figure 3.24 : Évolution de la résistance électrique de contact en couple CuSn4-CuSn4, f = 10 Hz, FN = 6 N

Nc = 25 000 cycles, I = 100 mA; (a) δi = ± 40 µm; (b) Fai = ± 25 N.

L’effet de la fréquence d’excitation f sur l’évolution de la résistance électrique de contact Rc a été étudié sur deux essais en déplacement imposé δi = ± 15 µm, avec une charge normale de 6 N (Figure 3.25) :

• À f = 10 Hz, le contact enregistre une résistance de contact qui atteint le seuil de 0,5 Ω après une distance parcourue de 0,53 m.

• À f = 30 Hz, le contact atteint le même seuil de 0,5 Ω après une distance nettement plus longue de 0,93 m.

Antler143 explique ce résultat par une compétition entre les cinétiques d’oxydation et d’usure. Ainsi, avec les fréquences les plus faibles, l’oxyde peut croître plus facilement entre deux passages successifs, alors que plus la fréquence est élevée, plus le taux de rafraichissement des surfaces est élevé et plus la phase d’augmentation de la résistance de contact apparaît

143 _{ANTLER M.; Electrical Effects of Fretting Connector Contact Materials: a Review, Wear 106, pp. 5-33;} 1985.

(a)

tardivement. Par ailleurs, ce comportement est en accord avec les travaux de Park et al.144_{, qui} concluent qu’à fréquences élevées (30 Hz), la dynamique du contact améliore l’éjection des débris et retarde la perte de conductivité. Avec une couche isolante moins épaisse, la résistance électrique du contact reste en dessous de 5 Ω, ce qui n’est pas le cas des essais menés à 10 Hz.

Figure 3.25 : Résistance électrique de contact en fonction de la distance totale parcourue, essais à déplacement imposé δi = ± 15 µm en couple CuSn4-CuSn4, FN = 6 N, Nc = 25 000 cycles, I = 100 mA.

Effet de la fréquence d’excitation (a) f = 10 Hz (b) f = 30 Hz.

1.7. Synthèse partielle

Les réponses tribologiques en termes de déplacements, d’efforts de frottement, d’énergie dissipée, d’activité acoustique et de résistance électrique de contact, ont été comparées pour un contact glissant CuSn6-CuSn6 à sec, sous chargement constant, en utilisant les deux modes d’asservissement possibles du dispositif (déplacement imposé et force d’actionneur imposée). Les deux modes d’asservissement engendrent des mécanismes locaux d’accommodation différents à l’intérieur du contact : à déplacement imposé, le contact s’adapte en faisant varier la force de frottement, alors qu’à force d’actionneur imposée, le contact s’adapte en faisant varier l’amplitude de déplacement. Sous faible charge normale, les valeurs des coefficients de frottement et d’énergie dissipée sont globalement équivalentes et stables, mais les écarts augmentent avec des charges normales plus importantes. L’évolution de l’énergie dissipée en fonction de la distance parcourue confirme cette tendance qui dépend fortement du coefficient de frottement (supérieure dans le cas du débattement imposé).

L’observation des traces d’usure montre dans tous les cas, un mécanisme de déformation plastique prépondérant conduisant à des profils conformes entre les deux surfaces avec une faible production de débris éjectés hors du contact, de faciès lamellaire en déplacement imposé. Les signatures acoustiques confirment l’existence d’un mécanisme

144 _{PARK Y.W., SANKARA NARAYANAN T.S.N., LEE K. Y., Fretting corrosion of tin-plated contacts,} Tribology Int. 41, pp. 616-628, 2008.

(a)

d’endommagement commun avec une fréquence du centroïde autour de 400 kHz pour les deux modes de génération de mouvement.

Les mesures de résistance électrique de contact montrent des évolutions semblables pour les deux modes d’asservissement. La dégradation du contact électrique provoque une augmentation brutale de la résistance électrique de contact à partir d’un seuil de distance parcourue. Ce seuil est d’autant plus reculé (meilleur comportement) que l’amplitude de déplacement et la fréquence d’excitation sont élevées.