アルミニウムの溶接継手はなぜ腐食するのでしょうか？

溶接継手の腐食

腐食とは、金属とその周囲の環境との間の化学的または電気化学的な相互作用によって引き起こされる損傷や破壊のことです。腐食は化学腐食と電気化学腐食に分類され、最も一般的に見られるのは電気化学腐食です。.

溶接継手は、全面腐食、局所腐食、または応力誘発腐食を受けることがある。全面腐食は表面のすべてまたは大部分に影響を及ぼす。その腐食速度があらゆる場所でほぼ等しい場合、均一腐食と呼ばれる。 局部腐食は、粒界腐食や孔食のように、特定の箇所で優先的に発生し、他の箇所よりもはるかに速い速度で進行する。応力は腐食を促進し、応力腐食や応力腐食割れを引き起こす可能性がある。.

一般腐食は予測可能であり、比較的危険性は低い。一方、局所腐食は予測が難しく、明確な兆候なしに突然の破損を引き起こす可能性がある。.

アルミニウム溶接部の腐食特性

アルミニウムは一般的に耐食性に優れていますが、その挙動は合金の種類、組成、および使用環境によって異なります。非熱処理型アルミニウム、Al-Mn合金、およびAl-Mg合金は、熱処理型であるAl-Cu-Mg合金やAl-Zn-Mg合金よりも耐食性に優れています。 Al-Cu-Mg合金およびその溶接部は粒界腐食を起こしやすい傾向がある一方、Al-Zn-Mg合金およびその溶接部は応力腐食および応力腐食割れを起こしやすい傾向があります。アルミニウム合金は一般的に大気腐食に対して耐性がありますが、海水や海洋性気候下ではその性能が低下します。.

粒界腐食は、粒界やその周辺部に沿って進行し、多くの場合、応力腐食に先行して発生する。.

表面にはわずかな腐食しか見られない一方で、内部の粒界亀裂のネットワークによって強度が大幅に低下することがあります。主な原因は、第二相の粒界析出であり、これにより近傍のより貴金属性の構成元素が枯渇します。例えば、Al-Cu-Mgデュラルミンでは、CuAl₂の析出によって銅が枯渇した領域が形成されます。 共通の媒体中では、電位がより負の金属がガルバニック陽極となり、より容易に腐食する一方、電位がより正の金属は陰極として作用する傾向がある。したがって、微細組織の変化が電気化学的な粒界腐食を引き起こす。応力腐食は、溶接アルミニウム構造物の破断制御において、最も重要な腐食に関する考慮事項である。.

アルミニウム溶接継手の応力腐食

応力腐食割れ

応力腐食割れ（SCC）とは、腐食性媒体中で静的応力を受けた接合部が破断する現象である。これは、通常は引張応力である応力と、特定の環境との複合的な作用によって生じる。 接合部や構造物は、降伏強度をはるかに下回る応力下で、あるいは腐食性が比較的弱い環境下であっても、自発的に破断することがある。したがって、これは低応力下での脆性破断の中でも特に危険な形態である。.

駆動応力は、製造および溶接による残留応力と使用応力の和である。作用応力、応力強度係数K、またはJ積分が、対応する閾値（臨界応力σ）を下回っている場合、SCCは発生しない。_SCC, しきい値応力強度係数 K_ISCC, または閾値積分 J_ISCC. 既存の応力腐食亀裂は、閾値以下では進展しない。亀裂先端の応力集中係数が K を超えると_ISCC, 、亀裂が発生または進展し、その進展が材料の臨界状態に達したときに破壊が生じる。.

破壊過程には、き裂の発生、安定した亜臨界成長、および不安定な成長という3つの段階がある。ピッチングや粒界腐食は、しばしばき裂の発生源となり、発生時間を短縮させる。 発生したき裂は木の根のように分岐し、ある分岐が急速に成長する主き裂となる一方で、他の分岐は成長が止まったり、ゆっくりと成長したりすることがある。き裂が形成されると、機械的不安定性が生じるまで、ほぼ一定の速度で成長し続ける。.

き裂成長速度 da/dt とき裂先端の応力集中係数 K の関係には、一般的に 3 つの領域がある。領域 I では、K が減少するにつれて da/dt は急激に低下し、K 未満では成長は発生しない。_ISCC. 領域 II は da/dt において安定した成長を示している_II. Kが破壊靭性Kに達したとき_IC, 第III領域が始まり、不安定な成長が続いて亀裂が生じている。.

工学的な観点から見ると、K_ISCC および da/dt_II これらは、材料や溶接継手にとって有用な耐力指標である。.

肉眼的には、破断面は通常、主応力に対して垂直であり、亀裂は分岐している。腐食生成物の堆積により、起始部および亜臨界成長領域から金属光沢が失われる。起始部には、ピッチング、粒界腐食、または溶接欠陥が見られることがある。最終的な不安定領域には、放射状またはシェブロン状の模様が現れることがある。 顕微鏡的には、環境や応力に応じて、き裂は粒界内、粒界横断、あるいはその混合型となる場合がある。破断面には、ロックキャンディ状、貝殻状、あるいは羽毛状のパターンを伴う塑性変形の痕跡が残っていることが多い。.

SCCに影響を与える要因

1. 材料の種類と組成

熱処理可能な高強度合金、特に超高強度のAl-Zn-Mg合金およびAl-Zn-Mg-Cu合金は、溶接部においてSCCが発生しやすい。耐食性のある非熱処理型Al-Mg合金であっても、マグネシウム含有量が高いとSCCが発生しやすくなる。.

2. 溶加材と母材の適合

フィラー材の選定にあたっては、溶接性、組成、強度、延性、靭性が重視されることが多い。これにより、溶接部と母材との間に大きな組成や微細組織の違いが生じ、それに伴う電気化学的な差異が、SCCの発生リスクを高める可能性がある。.

3. 微細構造の変化

溶接により、溶接部、溶け込み部、および熱影響部において、結晶粒の粗大化、粒界溶融、および粒界脆化が生じることがあります。このような不均一な構造や非平衡構造は、SCCの発生リスクを高める可能性があります。 熱力学的に平衡状態にある格子構造は一般的に最も高い耐性を示すのに対し、平衡状態からかけ離れた構造はSCCに対する感受性が高くなります。.

4. 溶接残留応力

残留応力は大きな影響を及ぼします。外部荷重が加わっていなくても、残留引張応力だけでSCCを引き起こすのに十分な場合があります。.

5. 溶接欠陥

面欠陥、特に凝固割れや液化割れは、激しい応力集中を引き起こす。これらが残留引張応力と相互作用することで、SCCが容易に促進される。.

溶接部では組成、微細組織、機械的特性が箇所によって異なるため、適切な材料選定や工程管理が行われていても、そのSCC耐性は母材よりも低い場合が多い。例えば、3% NaClを含む液体媒体中では、σ_SCC/R_eL アルミニウムの母材では0.6、溶接継手では0.5である。.

溶接継手におけるSCCの防止

1. 構造用材料を総合的に選定する。. サービスの特性、物理化学的および加工特性、溶接性、耐食性を考慮する。母材Kの試験_IC そしてK_ISCC 必要な場合。.
2. 溶接消耗品を幅広く取り揃えています。. 欠陥の防止や機械的要件に加え、溶接部および接合部の環境適合性、耐食性、およびSCC（応力腐食割れ）の発生傾向を評価する。試験K_IC そしてK_ISCC 必要に応じて、各接合部に。.
3. 残留応力を低減する。. 溶接残留応力を低減または除去するあらゆる工程対策は、SCCの防止に役立ちます。.
4. 溶接後の処理を施す。. Al-Zn-MgやAl-Zn-Mg-Cuなどの合金の溶接部については、微細組織を改善し、腐食感受性を低減するために熱処理が必要となる場合があります。また、環境によっては、構造物や接合部の表面保護が必要となる場合もあります。.