Comment souder la fonte :un guide complet

Le soudage de la fonte est possible mais problématique en raison de la forte teneur en carbone. Cette teneur en carbone est souvent de 2 à 4 %, soit environ dix fois celle de la plupart des aciers. Pendant le processus de soudage, ce carbone migre dans le métal fondu et/ou la zone affectée thermiquement, ce qui entraîne une fragilité/dureté accrue. Ceci, à son tour, peut entraîner des fissures après le soudage.

La fonte est constituée de fer et de carbone dans des proportions variables, avec des éléments supplémentaires tels que le manganèse, le silicium, le chrome, le nickel, le cuivre, le molybdène, etc. pour améliorer certaines propriétés. De plus, il peut contenir des teneurs en soufre et en phosphore nettement plus élevées que les impuretés, ce qui rend difficile le soudage sans fissuration.

Les différents types de fonte comprennent la fonte grise, la fonte blanche, la fonte ductile (nodulaire) et la fonte malléable avec une soudabilité très variable. Toutes les catégories de fonte, à l'exception de la fonte blanche, sont considérées comme soudables, bien que le soudage puisse être beaucoup plus difficile que le soudage de l'acier au carbone.

Cependant, il peut être difficile de faire la différence entre ces différents types de fonte sans une analyse métallurgique détaillée. Malgré tout, la fonte est un métal durable et résistant à l'usure qui est utilisé depuis des siècles.

Étapes de pré-soudage pour la fonte

Quatre étapes clés doivent être suivies avant de commencer pour assurer le soudage efficace de la fonte. Ceux-ci incluent :

• Déterminer le type de fonte
• Nettoyer le plâtre
• Sélectionner la bonne température de préchauffage
• Choisir la bonne technique de soudage

1. Déterminer le type de fonte

La première étape de ce type de soudage consiste à identifier de quel type de fonte il s'agit. Il existe de nombreux types, et vous ne voudrez pas souder la plupart d'entre eux.

La fonte a une faible ductilité et peut donc se fissurer en raison de contraintes thermiques lorsqu'elle est rapidement chauffée ou refroidie. La susceptibilité à la fissuration dépend du type/de la catégorie de fonte. Cela signifie qu'il est nécessaire de comprendre avec quel type d'alliage vous travaillez :

• Fonte grise : C'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 non soudable.
• Fere ductile, nodulaire ou malléable : 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 façon la plus simple de déterminer avec quel type de fer vous travaillez est de vérifier les spécifications d'origine. L'analyse chimique et métallographique peut également aider à identifier la catégorie de fonte avec laquelle vous travaillez.

Il existe d'autres façons de faire la différence entre les alliages; le fer gris montrera du gris avec un point de fracture, tandis que le fer blanc montrera une couleur plus blanche le long d'une fracture en raison de la cémentite qu'il contient. Cependant, la fonte ductile, par exemple, présentera également une fracture plus blanche, tout en étant beaucoup plus soudable.

La fonte grise est le type le plus courant de fonte soudée et devrait être la seule fonte que vous essayez de fusionner, sauf si vous avez de l'expérience dans la coulée ou la soudure. Avoir quelqu'un d'expérimenté pour vous aider est une autre bonne option.

2. 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 en fonte consiste à déposer une passe de soudure sur le métal - il sera poreux si des impuretés sont présentes. Cette passe peut être meulée et le processus est répété plusieurs fois jusqu'à ce que la porosité disparaisse.

3. Température de préchauffage

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, les contraintes créées par une expansion et une contraction restreintes sont soulagées 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 haute température nécessitent un préchauffage à plus haute température.

Lorsqu'un préchauffage adéquat n'est pas possible, la meilleure stratégie consiste à minimiser l'apport de chaleur, à sélectionner 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.

4. Technique de soudage utilisée pour souder la fonte

Théoriquement, n'importe lequel des procédés de soudage à l'arc courants tels que le soudage manuel à l'arc métallique, le soudage à l'arc avec noyau de flux, le soudage au gaz actif métallique, le soudage à l'arc submergé, le soudage à l'arc au tungstène, etc. peut être utilisé, un procédé qui facilite le chauffage et le refroidissement lents est généralement préféré.

1. Soudage manuel à l'arc métallique (MMA)

Ce type de soudage, également connu sous le nom de soudage à l'arc sous protection (SMAW), est généralement considéré comme le meilleur procédé global pour le soudage de la fonte - à condition que les baguettes de soudage appropriées soient utilisées. Le choix de l'électrode dépendra de l'application, de la correspondance de couleur requise et de la quantité d'usinage après soudage.

Les deux principaux types d'électrodes pour le soudage manuel à l'arc sont à base de fer et à base de nickel. L'électrode à base de fer produira un métal fondu avec de la martensite à haute teneur en carbone, donc généralement limitée à une réparation mineure de la coulée et lorsqu'une correspondance des couleurs est requise.

Les électrodes en alliage de nickel sont les plus couramment utilisées, offrant un métal de soudure plus ductile. Les électrodes en nickel peuvent également aider à réduire le préchauffage et la fissuration HAZ en fournissant un métal de soudure de moindre résistance.

Dans tous les cas, il faut veiller à minimiser la fusion du métal-mère. Cela minimisera la dilution.

2. Soudage MAG

Le soudage MAG est généralement réalisé avec un consommable au nickel. Un mélange gazeux de 80 % d'argon et de 20 % de dioxyde de carbone fonctionnera pour la plupart des applications. Bien que le fil de brasage puisse être utilisé, il n'est généralement pas recommandé car le métal de brasage sera nettement plus faible que le moulage.

3. Soudage TIG

Le soudage TIG peut fournir une soudure propre sur la fonte mais n'est généralement pas préféré en raison de ses caractéristiques de chauffage très localisées. Comme pour tout soudage TIG, la qualité de la soudure finie est largement déterminée par la compétence du soudeur.

4. Soudage Oxy-Acétylène

Le soudage oxyacétylénique utilise également des électrodes, mais au lieu d'un arc généré par le courant, une torche oxyacétylénique fournit l'énergie pour le 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.

5. 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.

Techniques de soudage sans préchauffage

La taille de la pièce moulée ou d'autres circonstances peuvent exiger que la réparation soit effectuée sans préchauffage. Lorsque c'est le cas, la pièce doit être conservée au frais, mais pas froide.

Augmenter la température de coulée à 100 degrés F est utile. Si la pièce est sur un moteur, il peut être possible de la faire tourner quelques minutes pour obtenir cette température. Ne chauffez jamais le moulage si chaud que vous ne pouvez pas placer votre main nue dessus.

Effectuez des soudures courtes d'environ 1 po de long. Le grenaillage après soudage est important avec cette technique. Laisser refroidir la soudure et le moulage. Ne pas accélérer la vitesse de refroidissement avec de l'eau ou de l'air comprimé.

Il peut être possible de souder dans une autre zone du moulage pendant que la soudure précédente refroidit. Tous les cratères doivent être remplis. Dans la mesure du possible, les billes doivent être déposées dans le même sens, et il est préférable que les extrémités des billes parallèles ne s'alignent pas les unes avec les autres.

Fil d'apport ou électrode utilisé pour le soudage par moulage

Comme mentionné ci-dessus, le choix de la baguette de soudage est important pour le soudage de la fonte, bien que la plupart des experts conseillent d'utiliser des baguettes de nickel.

1. 99 % de tiges de nickel

Ces électrodes sont plus chères que les autres options mais offrent également les meilleurs résultats. Les tiges de nickel à 99% produisent des soudures qui peuvent être usinées et fonctionnent mieux sur les pièces moulées à faible ou moyenne teneur en phosphore. Ces tiges de nickel pur produisent un dépôt de soudure souple et malléable.

2. 55 % de tiges de nickel

Moins chères que les tiges à 99%, elles sont également usinables et sont fréquemment utilisées pour les réparations de section épaisse. Un coefficient d'expansion inférieur signifie que ceux-ci produisent moins de fissures de ligne de fusion que la tige à 99%. Ces baguettes de ferronickel sont idéales pour souder la fonte à l'acier.

Des options moins coûteuses sont disponibles, telles que les tiges en acier, bien qu'elles ne soient pas aussi efficaces que les tiges en nickel :

3. Barres d'acier

Les tiges d'acier offrent l'option la moins chère des trois et sont les meilleures pour les réparations mineures et le remplissage. Les électrodes en acier produisent des soudures dures, qui nécessitent un meulage supplémentaire pour finir et ne sont pas usinables. Cependant, malgré ces inconvénients, les tiges en acier offrent une correspondance des couleurs et peuvent mieux tolérer les pièces moulées qui ne sont pas complètement propres que les tiges en nickel.

4. Bronze de brasage

Vous pouvez braser à l'oxy-acétylène ou utiliser les baguettes avec une soudeuse TIG. C'est un bon moyen de fournir un point fort dans une fissure ou entre deux composants à assembler, sans provoquer de fissuration ni de modification des propriétés de la fonte.

Nettoyage et martelage des surfaces de soudure

Comme pour la plupart des soudures, plus la surface est propre, meilleures seront vos soudures. Parfois, le matériau que vous soudez a eu toute une vie de fumées ou d'huile tout au long de la coulée, ce qui posera des problèmes de soudage. Il y a certaines choses à savoir lorsque vous soudez de la fonte.

L'utilisation de consommables de soudage, tels que les baguettes en alliage de soudage en fonte MG-289, conçues pour la fonte contaminée, est le meilleur moyen de s'assurer que la soudure est suffisante.

Le martelage est le processus de taraudage de la soudure douce pendant qu'elle refroidit avec un marteau à bille pour éviter la fissuration. Cela doit être fait avec prudence et uniquement lorsque la soudure peut se déformer, mais ce n'est pas toujours nécessaire, car la cause principale des fissures est le chauffage ou le refroidissement irrégulier ou rapide du composant. Préchauffer et refroidir lentement votre projet est ce qui est le plus important.

Préchauffer ou souder à froid ?

Il y a quelques opinions différentes quant à savoir si vous devez souder à chaud ou à froid. Tout le monde s'accorde à dire que le préchauffage est une bonne option, mais quelques personnes suggèrent que le soudage avec une chaleur minimale est également suffisant.

Lorsque vous décidez comment souder de la fonte, il est nécessaire d'adopter l'une de ces approches car, contrairement à la plupart des métaux, la fonte est fragile et a une capacité très minime de se déformer par flexion ou expansion et contraction. La chaleur a toujours un effet déformant sur le métal, et si une partie du métal chauffe ou refroidit plus rapidement qu'une autre, des contraintes et des fissures se produisent dans la fonte ou la soudure.

Le préchauffage minimise cet effet en rapprochant la zone environnante de la soudure de la température de soudage, ce qui fait que l'ensemble du composant change uniformément. La fonte change de caractéristiques au-delà de 1400 degrés Fahrenheit, il est donc crucial de ne pas mettre de chaleur excessive dans le composant.

On pense que le soudage de la fonte à froid sans préchauffage et en utilisant un minimum de chaleur y contribue en réduisant la température globale. Cela peut être bénéfique pour ne pas produire de fissures visibles et ce sera une soudure plus solide qu'une soudure à chaud sans préchauffage. Cependant, des contraintes internes se produisent toujours, ce qui peut apparaître plus tard dans la vie du composant, et cela produit une soudure globalement plus faible qu'un préchauffage correct avant le soudage.

Les soudeurs en fonte expérimentés qui travaillent régulièrement à la réparation ou à la fabrication de produits en fonte préchauffent toujours et uniquement. C'est le meilleur moyen de s'assurer que la soudure est solide à l'intérieur, et pas seulement de se fissurer visiblement moins.