Warum korrodieren geschweißte Aluminiumverbindungen?

Korrosion an Schweißverbindungen

Korrosion ist eine Beschädigung oder Zerstörung, die durch chemische oder elektrochemische Wechselwirkungen zwischen einem Metall und seiner Umgebung verursacht wird. Man unterscheidet zwischen chemischer und elektrochemischer Korrosion, wobei die am häufigsten auftretende Form die elektrochemische Korrosion ist.

Schweißverbindungen können allgemeiner Korrosion, lokaler Korrosion oder spannungsunterstützter Korrosion ausgesetzt sein. Allgemeine Korrosion betrifft die gesamte oder den größten Teil der Oberfläche; wenn ihre Geschwindigkeit überall annähernd gleich ist, wird sie als gleichmäßige Korrosion bezeichnet. Lokalisierte Korrosion tritt vorrangig an bestimmten Stellen auf und verläuft dort wesentlich schneller als an anderen Stellen, wie dies bei der interkristallinen Korrosion oder der Lochfraßkorrosion der Fall ist. Spannungen verstärken den Korrosionsangriff und können zu Spannungskorrosion und Spannungsrisskorrosion führen.

Allgemeine Korrosion ist vorhersehbar und vergleichsweise weniger gefährlich. Lokalisierte Korrosion ist schwer vorhersehbar und kann ohne erkennbare Vorwarnung zu einem plötzlichen Versagen führen.

Korrosionseigenschaften von Aluminiumschweißnähten

Aluminium ist im Allgemeinen gut korrosionsbeständig, das Verhalten hängt jedoch von der Legierungsart, der Zusammensetzung und der Umgebung ab. Nicht wärmebehandelbare Aluminium-, Al-Mn- und Al-Mg-Legierungen sind korrosionsbeständiger als wärmebehandelbare Al-Cu-Mg- und Al-Zn-Mg-Legierungen. Al-Cu-Mg-Legierungen und ihre Schweißnähte neigen zu interkristalliner Korrosion, während Al-Zn-Mg-Legierungen und ihre Schweißnähte zu Spannungskorrosion und Spannungsrisskorrosion neigen. Aluminiumlegierungen sind im Allgemeinen beständig gegen atmosphärische Korrosion, weisen jedoch in Meerwasser und in maritimem Klima eine geringere Beständigkeit auf.

Die interkristalline Korrosion schreitet entlang der Korngrenzen oder in angrenzenden Bereichen voran und geht häufig der Spannungskorrosion voraus.

Die Oberfläche weist möglicherweise nur geringe Korrosionsspuren auf, während ein inneres Netzwerk aus intergranularen Rissen die Festigkeit erheblich verringert. Eine Hauptursache ist die Ausscheidung einer zweiten Phase an den Korngrenzen, wodurch ein edlerer Bestandteil in der Umgebung abgebaut wird. Bei Al-Cu-Mg-Duraluminium entsteht beispielsweise durch die Ausscheidung von CuAl₂ eine kupferarme Zone. In einem gemeinsamen Medium wird ein Metall mit negativerem Potential zur galvanischen Anode und korrodiert leichter, während ein Metall mit positiverem Potential tendenziell als Kathode wirkt. Mikrostrukturelle Veränderungen treiben somit den elektrochemischen interkristallinen Angriff voran. Spannungskorrosion ist der wichtigste Korrosionsfaktor bei der Bruchkontrolle von geschweißten Aluminiumkonstruktionen.

Spannungskorrosion an Aluminiumschweißverbindungen

Spannungsrisskorrosion

Spannungsrisskorrosion (SCC) ist ein Bruch einer Verbindung unter statischer Beanspruchung in einem korrosiven Medium. Sie entsteht durch das Zusammenwirken von Spannung – in der Regel Zugspannung – und einer bestimmten Umgebung. Eine Verbindung oder ein Bauteil kann spontan bei Spannungen weit unterhalb der Streckgrenze und selbst in einer nur schwach korrosiven Umgebung reißen. Es handelt sich daher um eine besonders gefährliche Form des spröden Bruchs bei geringer Spannung.

Die einwirkende Spannung setzt sich aus den Fertigungs- und Schweißrestspannungen sowie den Betriebsspannungen zusammen. Eine Spannungsrisskorrosion (SCC) tritt nicht auf, wenn die aufgebrachte Spannung, der Spannungsintensitätsfaktor K oder das J-Integral unter dem entsprechenden Schwellenwert – der kritischen Spannung σ – liegen._SCC, Schwellenwert des Spannungsintensitätsfaktors K_ISCC, oder Schwellenwertintegral J_ISCC. Ein bereits vorhandener Spannungskorrosionsriss breitet sich unterhalb des Schwellenwerts nicht weiter aus. Wenn der Spannungsintensitätsfaktor an der Rissspitze den Wert K überschreitet_ISCC, entsteht ein Riss oder er wächst weiter; ein Bruch tritt ein, wenn das Wachstum den kritischen Zustand des Werkstoffs erreicht.

Der Bruchprozess verläuft in drei Phasen: Rissbildung, stabiles subkritisches Wachstum und instabiles Wachstum. Lochfraß und interkristalline Korrosion werden häufig zu Rissherden und verkürzen die Zeit bis zur Rissbildung. Ein entstandener Riss verzweigt sich wie eine Baumwurzel; ein Zweig kann zum schnell wachsenden Hauptriss werden, während andere zum Stillstand kommen oder nur langsam wachsen. Ist der Riss erst einmal entstanden, wächst er mit nahezu konstanter Geschwindigkeit weiter, bis er mechanisch instabil wird.

Die Risswachstumsrate da/dt in Abhängigkeit vom Spannungsintensitätsfaktor K an der Rissspitze lässt sich üblicherweise in drei Bereiche unterteilen. In Bereich I sinkt da/dt mit abnehmendem K stark ab, und unterhalb von K findet kein Wachstum statt._ISCC. Region II weist ein stabiles Wachstum bei da/dt auf_II. Wenn K den Bruchzähigkeitswert K erreicht_IC, Region III beginnt, und das instabile Wachstum führt weiterhin zu Brüchen.

Aus technischer Sicht ist K_ISCC und da/dt_II sind nützliche Widerstandsindizes für Werkstoffe und Schweißverbindungen.

Makroskopisch verläuft der Bruch in der Regel senkrecht zur Hauptspannung, und der Riss verzweigt sich. Durch die Ansammlung von Korrosionsprodukten verliert der Ursprung und der subkritische Wachstumsbereich ihren metallischen Glanz. Der Ursprung kann Lochfraß, interkristalline Korrosion oder einen Schweißfehler aufweisen. Der abschließende instabile Bereich kann radiale oder chevronförmige Muster aufweisen. Mikroskopisch können Risse je nach Umgebung und Beanspruchung intergranular, transgranular oder gemischt verlaufen. Bruchflächen weisen häufig Spuren plastischer Verformung mit zuckerhutartigen, schalenartigen oder federartigen Mustern auf.

Faktoren, die den SCC beeinflussen

1. Materialart und Zusammensetzung

Wärmebehandelbare hochfeste Legierungen, insbesondere ultrahochfeste Al-Zn-Mg- und Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen, sind in Schweißnähten besonders anfällig für Spannungsrisskorrosion (SCC). Selbst korrosionsbeständige, nicht wärmebehandelbare Al-Mg-Legierungen werden bei hohem Magnesiumgehalt anfällig.

2. Abstimmung von Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff

Bei der Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffs stehen häufig Schweißbarkeit, Zusammensetzung, Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit im Vordergrund. Dies kann zu erheblichen Unterschieden in der Zusammensetzung und Mikrostruktur zwischen Schweißnaht und Grundwerkstoff sowie zu entsprechenden elektrochemischen Unterschieden führen, die die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion erhöhen können.

3. Mikrostrukturelle Veränderungen

Beim Schweißen kann es zu einer Kornvergröberung, zum Schmelzen an Korngrenzen und zu einer Versprödung an Korngrenzen in der Schweißnaht, der Schmelzzone und der Wärmeeinflusszone kommen. Solche ungleichmäßigen oder nicht im Gleichgewicht befindlichen Strukturen können die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion (SCC) erhöhen. Eine thermodynamisch im Gleichgewicht befindliche Gitterstruktur bietet im Allgemeinen die höchste Beständigkeit, während eine Struktur, die weit vom Gleichgewicht entfernt ist, anfälliger ist.

4. Schweißspannungen

Restspannungen spielen eine wesentliche Rolle. Selbst ohne äußere Belastung kann eine Restzugspannung ausreichen, um eine Spannungsrisskorrosion (SCC) auszulösen.

5. Schweißfehler

Ebenende Defekte, insbesondere Erstarrungs- oder Liquefaktionsrisse, führen zu starken Spannungskonzentrationen. Ihre Wechselwirkung mit Restzugspannungen begünstigt in hohem Maße die Spannungsrisskorrosion (SCC).

Da sich Zusammensetzung, Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften innerhalb einer Schweißnaht unterscheiden, liegt deren Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion (SCC) selbst bei korrekter Werkstoffauswahl und Prozesssteuerung oft unter der des Grundwerkstoffs. In einem flüssigen Medium, das 3% NaCl enthält, beträgt beispielsweise σ_SCC/R_eL beträgt 0,6 für das Aluminium-Grundmetall und 0,5 für die Schweißverbindung.

Verhinderung von SCC in Schweißverbindungen

1. Wählen Sie die Konstruktionswerkstoffe sorgfältig aus. Berücksichtigen Sie die Einsatzmerkmale, die physikalisch-chemischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften, die Schweißbarkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit. Prüfen Sie das Grundmetall K_IC und K_ISCC falls erforderlich.
2. Wählen Sie das Schweißzubehör sorgfältig aus. Neben der Fehlervermeidung und den mechanischen Anforderungen sind auch die Umweltverträglichkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Anfälligkeit der Schweißnaht und der Verbindung für Spannungsrisskorrosion (SCC) zu bewerten. Test K_IC und K_ISCC in jedem Fugenbereich, sofern erforderlich.
3. Restspannungen reduzieren. Jede Prozessmaßnahme, die Schweißrestspannungen verringert oder beseitigt, trägt dazu bei, SCC zu verhindern.
4. Eine Nachbehandlung nach dem Schweißen durchführen. Schweißnähte in Legierungen wie Al-Zn-Mg und Al-Zn-Mg-Cu erfordern unter Umständen eine Wärmebehandlung, um die Mikrostruktur zu verbessern und die Anfälligkeit zu verringern. In manchen Umgebungen ist zudem ein Oberflächenschutz der Konstruktion und der Schweißnaht erforderlich.