Comment souder la fonte

Le soudage de la fonte en interne est possible, sous certaines conditions

Un soudage interne efficace des pièces en fonte peut faire gagner du temps et de l'argent, mais il y a des défis. Un défaut de soudage peut souvent entraîner des fissures ou d'autres dommages. Si des pièces critiques sont impliquées, il peut être judicieux de rechercher le savoir-faire d'une installation de soudage avec des soudeurs expérimentés pour garantir un résultat réussi.

Si le soudage est effectué en interne, il est crucial de rechercher les étapes nécessaires pour produire efficacement une pièce soudée. Quatre étapes clés doivent être suivies avant de commencer :

1. Identifier l'alliage
2. Nettoyez soigneusement le moulage
3. Sélectionnez une température de préchauffage
4. Sélectionnez une technique de soudage appropriée

Identifier l'alliage

Les fontes sont une famille d'alliages fer-carbone. Leur forte teneur en carbone (généralement 2 à 4 %) confère à la fonte sa dureté caractéristique. Cependant, cette dureté se fait au détriment de la ductilité. Il est moins malléable que l'acier ou le fer forgé. Les cycles de chauffage et de refroidissement pendant le soudage provoquent une dilatation et une contraction du métal, induisant une contrainte de traction. Les fontes ne s'étirent pas ou ne se déforment pas lorsqu'elles sont chauffées ou sollicitées - au lieu de cela, elles se fissurent - ce qui les rend extrêmement difficiles à souder. Cette caractéristique peut être améliorée en ajoutant différents alliages.

Certains alliages de fonte sont plus faciles à souder que d'autres :

• Fonte grise
  La fonte grise est la forme la plus courante de fonte. Le carbone se précipite dans les flocons de graphite lors de la fabrication dans une microstructure cristalline de perlite ou de ferrite. Elle est plus ductile et soudable que la fonte blanche. Cependant, cela pose toujours un défi aux futurs soudeurs, car les flocons de graphite contenus dans la fonte grise peuvent pénétrer dans le bain de fusion et provoquer la fragilisation du métal fondu.

• Fonte blanche
  La fonte blanche retient le carbone sous forme de carbure de fer sans le précipiter sous forme de graphite. La microstructure cristalline de la cémentite est très dure et cassante. La fonte blanche est généralement considérée comme insoudable.
• Ductile, nodulaire ou malléable fer
  Ces fontes sont toutes moins cassantes du fait des différences microstructurales dues à la fabrication. Tous les trois ont des microstructures de carbone sphéroïdales créées par leurs processus de fabrication uniques.

La meilleure façon de déterminer si vous avez de la fonte blanche ou grise est de vérifier les spécifications d'origine. L'analyse spectrochimique peut fournir cette spécification après coup. Lorsque ces moyens précis ne sont pas possibles, il existe plusieurs moyens de vérifier en magasin.

La fonte grise apparaîtra grise le long d'un point de fracture, en raison du graphite dans sa microstructure. Le fer blanc est plus blanc le long d'une fracture en raison de la cémentite. Malheureusement, le test de rupture n'est utile que si le soudeur sait que le matériau est soit gris, soit blanc. Ce sont des formes plus anciennes et plus traditionnelles de fonte. Ils sont également plus fréquents dans certaines classes de marchandises. Cependant, la fonte ductile, relativement nouvelle, est également assez blanche le long de la rupture et est beaucoup plus soudable.

Le test d'étincelle peut également être utilisé par un métallurgiste expérimenté pour essayer de déterminer le type de fer.

Nettoyer le moulage

Quel que soit l'alliage, toutes les pièces moulées doivent être correctement préparées avant le soudage. Lors de la préparation du moulage pour le soudage, il est crucial d'enlever tous les matériaux de surface. La coulée doit être parfaitement propre dans la zone de la soudure. Retirez la peinture, la graisse, l'huile et tout autre corps étranger de la zone de soudure. Il est préférable d'appliquer de la chaleur avec précaution et lentement sur la zone de soudure pendant une courte période pour éliminer le gaz piégé de la zone de soudure du métal de base.

Une technique simple pour tester l'état de préparation de la surface de la fonte consiste à déposer une passe de soudure sur le métal - elle sera poreuse si des impuretés sont présentes. Cette passe peut être meulée et le processus répété plusieurs fois jusqu'à ce que la porosité disparaisse.

Préchauffer

Toutes les fontes sont vulnérables à la fissuration sous contrainte. Le contrôle de la chaleur est le facteur le plus important pour éviter les fissures.

Une soudure en fonte nécessite trois étapes :

• Préchauffage
• Faible apport de chaleur
• Refroidissement lent

La principale raison du contrôle de la chaleur est la dilatation thermique. Lorsque le métal se réchauffe, il se dilate. Aucune contrainte n'est causée lorsqu'un objet entier se réchauffe et se dilate à la même vitesse, mais la contrainte s'accumule lorsque la chaleur est localisée dans une petite zone affectée par la chaleur (HZ).

Un échauffement localisé provoque une expansion restreinte - le HZ est contenu par le métal plus froid qui l'entoure. Le degré de contrainte qui en résulte dépend du gradient thermique entre le HZ et le corps de coulée. Dans l'acier et d'autres métaux ductiles, la contrainte créée par une expansion et une contraction restreintes est soulagée par l'étirement. Malheureusement, cela peut provoquer des fissures pendant la période de contraction car les fontes ont une ductilité relativement faible. Le préchauffage diminue le gradient thermique entre le corps de coulée et le HZ, minimisant ainsi la contrainte de traction causée par le soudage. En général, les méthodes de soudage à température plus élevée nécessitent un préchauffage à température plus élevée. Lorsqu'un préchauffage adéquat n'est pas possible, la meilleure stratégie consiste à minimiser l'apport de chaleur :sélectionnez un procédé de soudage à basse température et des baguettes ou des fils de soudage à faible point de fusion.

La vitesse de refroidissement est un autre facteur qui a un impact direct sur les contraintes induites au niveau de la soudure. Un refroidissement rapide provoque une contraction, ce qui crée des soudures cassantes et facilement fissurées. En revanche, un faible refroidissement réduit les contraintes de durcissement et de contraction.

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Préchauffage avant soudage

Toutes les fontes sont vulnérables à la fissuration sous contrainte, mais cela peut être évité grâce au préchauffage. Regardez la vidéo pour voir comment la chaleur est appliquée au métal avant le soudage.

Technique de soudage

Les techniques de soudage doivent être choisies en fonction de leur adéquation à l'alliage de fonte à souder. Les procédés de soudage les plus courants sont le soudage à la baguette, à l'oxyacétylène et au brasage.

Soudage à la baguette

Le soudage à la baguette, également appelé soudage à l'arc sous protection ou MMA, utilise une électrode consommable recouverte d'un flux. Différents types d'électrodes peuvent être utilisés en fonction de l'application, de la correspondance des couleurs requise et de la quantité d'usinage à effectuer après le soudage.

Il existe trois principaux types de charges qui fonctionnent bien pour le soudage à la baguette en fonte :

• Électrodes recouvertes de fonte
• Électrodes en alliage de cuivre
• Électrodes en alliage de nickel

Les électrodes en alliage de nickel sont les plus populaires pour le soudage de la fonte. Selon New Hampshire Materials Laboratory Inc., la soudure nickel-fer est plus solide avec un coefficient de dilatation thermique plus faible, ce qui réduit les contraintes de soudage et améliore la résistance à la fissuration.

Un arc électrique entre l'électrode et la zone de soudage fait fondre les métaux et provoque la fusion. L'arc doit être dirigé vers le bain de fusion plutôt que vers le métal de base, car cela minimisera la dilution. Il est recommandé d'utiliser le réglage de courant le plus bas approuvé par le fabricant pour minimiser le stress thermique. Préchauffer les pièces à au moins 250 °F avant les soudures avec des électrodes en fonte ou en cuivre. Les électrodes en nickel peuvent être utilisées sans préchauffage.

Soudage oxyacétylène

Le soudage oxyacétylène utilise également des électrodes, mais au lieu d'un arc généré par le courant, une torche oxyacétylène fournit l'énergie nécessaire au soudage. Les électrodes en fonte et les électrodes en cuivre-zinc conviennent toutes deux au soudage oxyacétylénique de la fonte.

Il faut veiller à ne pas oxyder la fonte lors du soudage à l'acétylène, car cela provoque une perte de silicium et la formation de fer blanc dans la soudure. La baguette de soudure doit être fondue dans le bain de soudure fondu, plutôt que directement par la flamme, afin de minimiser les gradients de température.

Soudage par brasage

Le soudage par brasage est une méthode courante pour assembler des pièces en fonte en raison de l'impact minimal sur le métal de base lui-même. Une baguette de soudure fournit la charge qui adhère à la surface de la fonte. En raison du point de fusion inférieur de la charge par rapport à la fonte, la charge ne se dilue pas avec la fonte mais adhère à la surface.

La propreté de la surface est essentielle pour cette technique de soudage car le joint dépend de la qualité de la charge mouillant la surface du métal de base. Selon Machine Design, l'utilisation de flux pour empêcher la formation d'oxydes pendant le brasage est courante. C'est un liquide qui favorise le mouillage, ce qui permet à l'enduit de s'écouler sur les pièces métalliques à assembler. Il nettoie également les pièces des oxydes afin que la charge se lie plus étroitement aux pièces métalliques. De plus, les flux sont utilisés en soudage pour nettoyer les surfaces métalliques.

Finir

La fissuration se produit généralement pendant la phase de contraction thermique - la contrainte de traction s'accumule lorsque la soudure refroidit et se contracte. Si la contrainte atteint un point critique, la soudure se fissure.

Les risques de fissuration peuvent être réduits en appliquant une contrainte de compression pour s'opposer à la contrainte de traction pendant le refroidissement. Les soudeurs utilisent une technique appelée martelage (coups modérés avec un marteau à bille) pour obtenir un cordon de soudure déformable alors que la soudure est encore molle. Le grenaillage diminue le risque de fissuration dans la soudure et HZ, mais ne doit être tenté que lorsque vous travaillez avec un métal soudé relativement ductile.

La dernière étape de la soudure est le contrôle du refroidissement. Ce processus utilise des matériaux isolants pour ralentir le refroidissement autant que possible, ou applique une chaleur périodique à la soudure pour ralentir le processus de refroidissement naturel.

Soudage en interne

Alors que sous-traiter le soudage de la fonte à un professionnel peut garantir une soudure de qualité, il est possible d'effectuer une réparation par soudure en interne avec une préparation minutieuse. Suivez les étapes d'identification de votre alliage, de préparation du matériau et de choix de la technique de soudage la plus appropriée.

Sources

• Matériau total. "Soudage de la fonte et d'autres fers."
• Laboratoire des matériaux du New Hampshire. "Conseils sur le soudage de la fonte."
• L'Institut de soudage. "Soudabilité des matériaux :fontes."