알루미늄 용접 이음매는 왜 부식될까요?

용접 이음부의 부식

부식은 금속과 주변 환경 간의 화학적 또는 전기화학적 상호작용으로 인해 발생하는 손상이나 파괴를 말합니다. 부식은 화학적 부식과 전기화학적 부식으로 분류되며, 가장 흔히 관찰되는 부식은 전기화학적 부식입니다.

용접 이음부는 일반 부식, 국부 부식 또는 응력 보조 부식을 겪을 수 있습니다. 일반 부식은 표면의 전부 또는 대부분에 영향을 미치며, 부식 속도가 모든 부위에서 대략적으로 동일한 경우 균일 부식이라고 합니다. 국부 부식은 입계 부식이나 피팅과 같이 특정 부위에서 우선적으로 발생하며, 다른 부위보다 훨씬 빠르게 진행됩니다. 응력은 부식 작용을 강화시켜 응력 부식 및 응력 부식 균열을 유발할 수 있습니다.

일반 부식은 예측이 가능하며 비교적 위험성이 낮습니다. 국부 부식은 예측하기 어려우며, 뚜렷한 전조 증상 없이 갑작스러운 고장을 일으킬 수 있습니다.

알루미늄 용접부의 부식 특성

알루미늄은 일반적으로 내식성이 우수하지만, 그 특성은 합금의 종류, 조성 및 사용 환경에 따라 달라집니다. 비열처리성 알루미늄, Al-Mn 및 Al-Mg 합금은 열처리성 Al-Cu-Mg 및 Al-Zn-Mg 합금보다 내식성이 더 우수합니다. Al-Cu-Mg 합금과 그 용접부는 입계 부식이 발생하기 쉬운 반면, Al-Zn-Mg 합금과 그 용접부는 응력 부식 및 응력 부식 균열이 발생하기 쉽습니다. 알루미늄 합금은 일반적으로 대기 부식에 대한 내성이 있지만, 해수 및 해양 기후에서는 내식성이 떨어집니다.

입계 부식은 결정계면이나 그 인접 부위를 따라 진행되며, 종종 응력 부식보다 먼저 발생한다.

표면에는 미미한 부식 흔적만 나타날 수 있지만, 내부에 형성된 입계 균열망은 강도를 상당히 저하시킵니다. 주요 원인은 제2상 물질의 입계 침전으로, 이로 인해 인근의 더 귀금속성 성분이 고갈되기 때문입니다. 예를 들어, Al-Cu-Mg 듀랄루민에서 CuAl₂ 침전은 구리가 고갈된 영역을 형성합니다. 공통 매질 내에서 전위가 더 음인 금속은 갈바닉 양극이 되어 더 쉽게 부식되는 반면, 전위가 더 양인 금속은 음극 역할을 하는 경향이 있습니다. 따라서 미세구조의 변화가 전기화학적 입계 부식을 유발합니다. 응력 부식은 용접된 알루미늄 구조물의 파단 제어에 있어 가장 중요한 부식 고려 사항입니다.

알루미늄 용접부의 응력 부식

응력 부식 균열

응력부식균열(SCC)은 부식성 매체 내에서 정적 응력을 받는 접합부에서 발생하는 파단 현상입니다. 이는 주로 인장 응력과 특정 환경이 복합적으로 작용하여 발생합니다. 이음부나 구조물은 항복 강도보다 훨씬 낮은 응력 하에서, 심지어 부식성이 약한 환경에서도 자발적으로 균열이 발생할 수 있습니다. 따라서 이는 저응력 취성 파단 중에서도 특히 위험한 형태입니다.

구동 응력은 제작 및 용접 잔류 응력과 사용 응력의 합입니다. 가해지는 응력, 응력 강도 계수 K 또는 J-적분값이 해당 임계값인 임계 응력 σ 미만일 경우 SCC는 발생하지 않습니다._SCC, 임계 응력-강도 계수 K_ISCC, 또는 임계 적분 J_ISCC. 기존 응력 부식 균열은 임계값 이하에서는 진행되지 않는다. 균열 끝단의 응력 집중 계수가 K를 초과할 때_ISCC, 균열이 발생하거나 확대되며, 확대가 재료의 임계 상태에 도달하면 파단이 발생한다.

파단 과정은 균열 개시, 안정된 아임계 성장, 불안정한 성장의 세 단계로 이루어집니다. 피팅 및 입계 부식 현상은 종종 균열의 기점이 되어 균열 개시 시간을 단축시킵니다. 일단 시작된 균열은 나무 뿌리처럼 갈라지는데, 한 갈래는 빠르게 성장하는 주 균열이 되는 반면 다른 갈래들은 성장이 멈추거나 느리게 성장하기도 한다. 일단 형성된 균열은 기계적 불안정성이 발생할 때까지 거의 일정한 속도로 성장한다.

균열 성장 속도 da/dt와 균열 선단 응력 강도 계수 K의 관계는 일반적으로 세 가지 영역으로 나뉩니다. 영역 I에서는 K가 감소함에 따라 da/dt가 급격히 떨어지며, K 미만에서는 균열 성장이 발생하지 않습니다._ISCC. 지역 II는 da/dt에서 안정적인 성장을 보인다._II. K가 파단 인성 K에 도달하면_IC, 제3지역이 시작되고 불안정한 성장으로 인해 균열이 계속 발생하고 있다.

공학적인 관점에서 볼 때, K_ISCC 그리고 da/dt_II 이는 재료 및 용접부에 대한 유용한 저항 지수입니다.

거시적으로 볼 때, 파단은 대개 주응력에 수직이며 균열이 분지되는 양상을 보입니다. 부식 생성물의 축적으로 인해 균열 기점과 아임계 성장 영역에서 금속 광택이 사라집니다. 균열 기점에는 피팅, 입계 부식 또는 용접 결함이 존재할 수 있습니다. 최종 불안정 영역에서는 방사형 또는 셰브론 무늬가 나타날 수 있습니다. 현미경적으로 볼 때, 균열은 환경과 응력에 따라 입계 균열, 입자 간 균열 또는 혼합형 균열일 수 있다. 파단면에는 종종 락캔디, 조개껍질 모양 또는 깃털 모양의 패턴을 띤 소성 변형 흔적이 남아 있다.

SCC에 영향을 미치는 요인

1. 재료의 종류 및 구성

열처리 가능한 고강도 합금, 특히 초고강도 Al-Zn-Mg 및 Al-Zn-Mg-Cu 합금은 용접부에서 균열 부식(SCC)에 매우 취약합니다. 내식성이 있는 비열처리형 Al-Mg 합금조차도 마그네슘 함량이 높을 경우 취약해집니다.

2. 용가재와 모재의 적합성

충진재 선정 시에는 종종 용접성, 조성, 강도, 연성 및 인성이 중점적으로 고려됩니다. 이로 인해 용접부와 모재 사이에 조성 및 미세구조상의 큰 차이가 발생할 수 있으며, 이에 따른 전기화학적 차이로 인해 SCC 발생 가능성이 높아질 수 있습니다.

3. 미세구조 변화

용접은 용접부, 용융부 및 열영향부에서 결정립 거칠어짐, 결정립 경계 용융 및 결정립 경계 취성을 유발할 수 있습니다. 이러한 불균일하거나 비평형 상태의 구조는 SCC 취약성을 높일 수 있습니다. 열역학적으로 평형 상태에 있는 격자 구조는 일반적으로 가장 높은 내성을 보이는 반면, 평형 상태에서 멀리 떨어진 구조는 더 취약합니다.

4. 용접 잔류 응력

잔류 응력은 큰 영향을 미칩니다. 외부 하중이 없더라도 잔류 인장 응력만으로도 SCC가 발생할 수 있습니다.

5. 용접 결함

면 결함, 특히 응고 균열이나 용융 균열은 심각한 응력 집중을 유발합니다. 이러한 결함이 잔류 인장 응력과 상호작용하면 SCC가 쉽게 발생합니다.

용접부 전체에 걸쳐 조성, 미세구조 및 기계적 특성이 달라지기 때문에, 재료를 올바르게 선정하고 공정을 적절히 제어하더라도 용접부의 SCC 저항성은 모재보다 낮은 경우가 많습니다. 예를 들어, 3% NaCl이 포함된 액체 매체에서 σ_SCC/R_eL 알루미늄 모재의 경우 0.6이고, 용접부의 경우 0.5입니다.

용접 이음부의 SCC 방지

1. 구조용 자재를 종합적으로 선정하십시오. 용접 재료의 특성, 물리화학적 및 가공 특성, 용접성, 내식성을 고려하십시오. 모재 K를 시험하십시오._IC 그리고 K_ISCC 필요할 때.
2. 용접 소모품을 종합적으로 선정하십시오. 결함 방지 및 기계적 요구 사항 외에도, 용접부 및 접합부의 환경 적합성, 내식성 및 응력 부식 균열(SCC) 발생 가능성을 평가해야 합니다. K 시험_IC 그리고 K_ISCC 필요할 때마다 각 접합 부위에서.
3. 잔류 응력을 줄이십시오. 용접 잔류 응력을 줄이거나 제거하는 모든 공정 지표는 SCC를 예방하는 데 도움이 됩니다.
4. 용접 후 처리를 실시하십시오. Al-Zn-Mg 및 Al-Zn-Mg-Cu와 같은 합금의 용접부는 미세구조를 개선하고 취약성을 줄이기 위해 열처리가 필요할 수 있습니다. 또한 일부 환경에서는 구조물과 접합부의 표면 보호가 필요합니다.