Perché i giunti saldati in alluminio si corrodono?

Corrosione dei giunti saldati

La corrosione è il danneggiamento o la distruzione causati dall'interazione chimica o elettrochimica tra un metallo e l'ambiente circostante. Si distingue in corrosione chimica ed elettrochimica; la forma più comune di corrosione è quella elettrochimica.

I giunti saldati possono essere soggetti a corrosione generale, corrosione localizzata o corrosione indotta da sollecitazioni. La corrosione generale interessa tutta o gran parte della superficie; quando la sua velocità è approssimativamente uguale ovunque, viene definita corrosione uniforme. La corrosione localizzata si sviluppa preferenzialmente in punti specifici e molto più rapidamente che altrove, come nel caso della corrosione intergranulare o della corrosione puntiforme. Le sollecitazioni intensificano l’attacco e possono provocare corrosione sotto sforzo e fessurazione da corrosione sotto sforzo.

La corrosione generale è prevedibile e relativamente meno pericolosa. L'attacco localizzato è difficile da prevedere e può causare un cedimento improvviso senza alcun segnale di allarme evidente.

Caratteristiche di corrosione dei giunti saldati in alluminio

L'alluminio presenta generalmente una buona resistenza alla corrosione, ma il suo comportamento dipende dal tipo di lega, dalla composizione e dall'ambiente. Le leghe di alluminio non trattabili termicamente, le leghe Al-Mn e Al-Mg resistono alla corrosione meglio delle leghe trattabili termicamente Al-Cu-Mg e Al-Zn-Mg. Le leghe Al-Cu-Mg e le relative saldature tendono alla corrosione intergranulare, mentre le leghe Al-Zn-Mg e le relative saldature tendono alla corrosione sotto sforzo e alla fessurazione da corrosione sotto sforzo. Le leghe di alluminio resistono generalmente alla corrosione atmosferica, ma presentano prestazioni inferiori in presenza di acqua di mare e in climi marini.

La corrosione intergranulare si sviluppa lungo i bordi dei grani o nelle zone adiacenti e spesso precede la corrosione sotto sforzo.

La superficie può presentare solo un leggero attacco, mentre una rete interna di crepe intergranulari riduce sostanzialmente la resistenza. Una delle cause principali è la precipitazione di una seconda fase ai confini dei grani, che impoverisce di un costituente più nobile l'area circostante. Nel duralluminio Al-Cu-Mg, ad esempio, la precipitazione di CuAl₂ crea una zona impoverita di rame. In un mezzo comune, un metallo con potenziale più negativo diventa l’anodo galvanico e si corrode più facilmente, mentre un metallo con potenziale più positivo tende a fungere da catodo. Il cambiamento microstrutturale determina quindi l’attacco elettrochimico intergranulare. La corrosione sotto sforzo è il fattore di corrosione più importante da considerare nel controllo della frattura delle strutture saldate in alluminio.

Corrosione da stress dei giunti saldati in alluminio

Fessurazione da corrosione sotto sforzo

La frattura da corrosione sotto sforzo (SCC) è la rottura di un giunto sottoposto a sollecitazione statica in un ambiente corrosivo. È il risultato dell’azione combinata di una sollecitazione, solitamente di trazione, e di un ambiente specifico. Un giunto o una struttura può rompersi spontaneamente a sollecitazioni ben inferiori al limite di snervamento e anche in un ambiente solo moderatamente corrosivo. Si tratta quindi di una forma particolarmente pericolosa di frattura fragile a bassa sollecitazione.

La sollecitazione dominante è data dalla somma delle sollecitazioni residue di fabbricazione e di saldatura e delle sollecitazioni di esercizio. La SCC non si verifica quando la sollecitazione applicata, il fattore di intensità della sollecitazione K o l’integrale J sono inferiori alla soglia corrispondente — sollecitazione critica σ_SCC, fattore di intensità delle sollecitazioni alla soglia K_ISCC, oppure l'integrale di soglia J_ISCC. Una fessura da corrosione sotto sforzo già presente non si propagherà al di sotto della soglia. Quando il fattore di intensità di sollecitazione alla punta della fessura supera K_ISCC, la fessura si forma o si allunga; la frattura si verifica quando l'allungamento raggiunge la condizione critica del materiale.

Il processo di frattura si articola in tre fasi: inizio della fessura, crescita subcritica stabile e crescita instabile. La corrosione puntiforme e l’attacco intergranulare spesso costituiscono il punto di origine delle fessure e accorciano il tempo di inizio. Una fessura che si è formata si ramifica come la radice di un albero; un ramo può diventare la fessura principale a crescita rapida, mentre altri si arrestano o crescono lentamente. Una volta formatasi, la fessura cresce a un ritmo pressoché costante fino al raggiungimento dell’instabilità meccanica.

Il rapporto tra la velocità di propagazione della fessura da/dt e il fattore di intensità della sollecitazione in punta di fessura K presenta solitamente tre regioni. Nella Regione I, da/dt diminuisce bruscamente al diminuire di K, e al di sotto di K non si verifica alcuna propagazione_ISCC. La regione II presenta una crescita stabile a da/dt_II. Quando K raggiunge la tenacità alla frattura K_IC, ha inizio la Regione III e la crescita instabile continua a frammentarsi.

Da un punto di vista ingegneristico, K_ISCC e da/dt_II sono indici di resistenza utili per i materiali e i giunti saldati.

A livello macroscopico, la frattura è solitamente perpendicolare alla sollecitazione principale e la fessura si ramifica. L’accumulo di prodotti di corrosione priva di lucentezza metallica il punto di origine e la regione di crescita subcritica. Il punto di origine può presentare corrosione puntiforme, corrosione intergranulare o un difetto di saldatura. La regione finale instabile può presentare motivi radiali o a chevron. A livello microscopico, le fessure possono essere intergranulari, transgranulari o miste a seconda dell’ambiente e della sollecitazione. Le superfici di frattura conservano spesso tracce di deformazione plastica con motivi a cristallo di zucchero, a conchiglia o a piuma.

Fattori che influenzano la SCC

1. Tipo e composizione del materiale

Le leghe ad alta resistenza trattabili termicamente, in particolare le leghe Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cu ad altissima resistenza, sono altamente sensibili alla corrosione sotto sollecitazione (SCC) nei giunti saldati. Anche le leghe Al-Mg resistenti alla corrosione e non trattabili termicamente diventano sensibili in presenza di un elevato tenore di magnesio.

2. Abbinamento tra metallo d’apporto e metallo base

Nella scelta del materiale di apporto si presta spesso particolare attenzione alla saldabilità, alla composizione, alla resistenza, alla duttilità e alla tenacità. Ciò può determinare notevoli differenze composizionali e microstrutturali tra il metallo saldato e il metallo di base, con conseguenti differenze elettrochimiche che potrebbero aumentare la suscettibilità alla SCC.

3. Cambiamenti microstrutturali

La saldatura può causare l'ingrossamento dei grani, la fusione dei bordi di grano e l'infragilimento dei bordi di grano nella saldatura, nella zona di fusione e nella zona termicamente alterata. Tali strutture non uniformi o fuori equilibrio possono aumentare la suscettibilità alla SCC. Una struttura reticolare in equilibrio termodinamico offre generalmente la massima resistenza, mentre una struttura lontana dall’equilibrio è più suscettibile.

4. Tensioni residue da saldatura

La tensione residua ha un effetto determinante. Anche in assenza di carico esterno, la tensione residua di trazione può essere sufficiente a provocare la SCC.

5. Difetti di saldatura

I difetti planari, in particolare le fessure da solidificazione o da liquazione, generano una forte concentrazione di sollecitazioni. La loro interazione con le sollecitazioni residue di trazione favorisce facilmente la formazione di SCC.

Poiché la composizione, la microstruttura e le proprietà meccaniche variano lungo la saldatura, la sua resistenza alla SCC è spesso inferiore a quella del metallo di base, anche in presenza di una corretta selezione dei materiali e di un adeguato controllo del processo. In un mezzo liquido contenente NaCl 3%, ad esempio, σ_SCC/R_eL è pari a 0,6 per il metallo di base in alluminio e a 0,5 per il giunto saldato.

Prevenzione della SCC nei giunti saldati

1. Scegliere i materiali strutturali in modo esaustivo. Si considerino le caratteristiche di servizio, le proprietà fisico-chimiche e di lavorazione, la saldabilità e la resistenza alla corrosione. Si esegua una prova sul metallo di base K_IC e K_ISCC quando necessario.
2. Scegliere con cura i materiali di consumo per la saldatura. Oltre alla prevenzione dei difetti e ai requisiti meccanici, valutare la compatibilità ambientale, la resistenza alla corrosione e la suscettibilità alla corrosione sotto sollecitazione (SCC) della saldatura e del giunto. Prova K_IC e K_ISCC in ciascuna zona articolare, quando necessario.
3. Ridurre la tensione residua. Qualsiasi misura di processo che riduca o elimini le tensioni residue da saldatura contribuisce a prevenire la SCC.
4. Applicare il trattamento post-saldatura. I giunti saldati in leghe quali Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cu possono richiedere un trattamento termico per migliorare la microstruttura e ridurre la suscettibilità. In alcuni ambienti è inoltre necessaria una protezione superficiale della struttura e del giunto.