Maîtriser le soudage de la fonte : Techniques éprouvées et conseils d'experts

Le défi du soudage de la fonte

Le soudage de la fonte est possible mais problématique en raison de sa teneur élevée en carbone, souvent de 2 à 4 %, soit environ dix fois celle de la plupart des aciers. Durant le soudage, ce carbone migre vers le métal d'apport et/ou la zone affectée thermiquement (ZAT), augmentant la fragilité et la dureté, ce qui peut provoquer des fissures après soudage.

La fonte est composée de fer et de carbone en proportions variables, avec des éléments additionnels (manganèse, silicium, chrome, nickel, cuivre, molybdène, etc.) pour améliorer certaines propriétés. Elle peut aussi contenir du soufre et du phosphore en quantités significatives, rendant le soudage difficile sans fissuration.

Les différents types de fonte incluent la fonte grise, la fonte blanche, la fonte ductile (nodulaire) et la fonte malléable, avec des soudabilités très variables. Toutes les catégories de fonte, à l'exception de la fonte blanche, sont considérées comme soudables, bien que le soudage soit significativement plus difficile que pour l'acier au carbone.

Il peut toutefois être difficile de distinguer ces types sans analyse métallurgique détaillée. Malgré tout, la fonte reste un métal durable et résistant à l'usure, utilisé depuis des siècles.

Étapes préalables au soudage de la fonte

Quatre étapes clés doivent être suivies avant de commencer pour assurer un soudage efficace de la fonte :

• Déterminer le type de fonte
• Nettoyer la pièce
• Sélectionner la température de préchauffage correcte
• Choisir la technique de soudage appropriée

1. Déterminer le type de fonte

La première étape consiste à identifier le type de fonte. Il en existe de nombreux, et la plupart ne doivent pas être soudés.

La fonte a une faible ductilité et peut se fissurer sous l'effet de contraintes thermiques lors d'un chauffage ou refroidissement rapide. La sensibilité à la fissuration dépend du type de fonte. Il est donc indispensable de connaître l'alliage :

• Fonte grise : La plus courante. Le carbone précipite en graphite en feuillets dans une microstructure perlite ou ferrite. Elle est plus ductile et soudable que la fonte blanche, mais les feuillets de graphite peuvent pénétrer le bain de fusion et fragiliser le métal de soudure.
• Fonte blanche : Le carbone reste sous forme de carbure de fer (cémentite) sans former de graphite. Sa microstructure est très dure et fragile. La fonte blanche est généralement considérée comme non soudable.
• Fonte ductile, nodulaire ou malléable : Ces fontes sont moins fragiles grâce à leurs microstructures sphéroïdales de carbone, obtenues par des procédés de fabrication spécifiques.

La méthode la plus simple pour identifier le type de fonte est de consulter la spécification d'origine. Des analyses chimiques et métallographiques peuvent aussi aider.

D'autres indices existent : la fonte grise montre une fracture grise, la fonte blanche une fracture blanche à cause de la cémentite. Cependant, la fonte ductile montre aussi une fracture blanche tout en étant plus soudable.

La fonte grise est le type le plus couramment soudé et devrait être la seule tentée par des soudeurs non expérimentés. L'assistance d'un expert est recommandée.

2. Nettoyer la pièce

Quelle que soit l'alliage, toutes les pièces doivent être correctement préparées avant soudage. Il est crucial d'éliminer tous les matériaux de surface : peinture, graisse, huile et corps étrangers dans la zone de soudure. Un chauffage lent et soigneux de la zone de soudure pendant un court moment permet d'éliminer les gaz piégés dans le métal de base.

Une technique simple pour tester la propreté consiste à déposer un cordon d'essai : s'il est poreux, des impuretés sont présentes. On meule ce cordon et on répète l'opération jusqu'à disparition de la porosité.

3. Température de préchauffage

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

Un soudage sur fonte nécessite trois étapes :

• Préchauffage
• Faible apport de chaleur
• Refroidissement lent

La raison principale est la dilatation thermique. Quand le métal chauffe, il se dilate. Si tout l'objet chauffe uniformément, aucune contrainte n'apparaît, mais un chauffage localisé dans une petite zone affectée thermiquement (ZAT) crée des contraintes.

Le chauffage localisé cause une dilatation restreinte, la ZAT étant contenue par le métal plus froid environnant. Le degré de contrainte dépend du gradient thermique entre la ZAT et le corps de la pièce. Dans l'acier et les métaux ductiles, les contraintes sont soulagées par déformation plastique.

Malheureusement, la fonte ayant une faible ductilité, cela peut causer des fissures pendant la contraction. Le préchauffage réduit le gradient thermique, minimisant ainsi les contraintes de traction. En général, les méthodes de soudage à haute température nécessitent un préchauffage plus élevé.

Quand un préchauffage adéquat n'est pas possible, la meilleure stratégie est de minimiser l'apport de chaleur, choisir un procédé à basse température et des baguettes ou fils à bas point de fusion.

La vitesse de refroidissement impacte directement les contraintes induites. Un refroidissement rapide cause la contraction, créant des cordons fragiles et fissurables. Un refroidissement lent réduit le durcissement et les contraintes de contraction.

4. Techniques de soudage pour la fonte

Théoriquement, tous les procédés d'arc courants (MMA, FCAW, MAG, soudage sous flux, TIG, etc.) peuvent être utilisés, mais un procédé facilitant un chauffage et refroidissement lents est généralement préféré.

1. Soudage à l'arc manuel (MMA / SMAW)

Ce procédé, aussi appelé soudage à l'électrode enrobée (SMAW), est généralement considéré comme le meilleur pour la fonte, à condition d'utiliser les bonnes électrodes. Le choix dépend de l'application, de la correspondance de couleur souhaitée et de l'usinage post-soudage.

Les deux principaux types d'électrodes sont à base de fer et à base de nickel. Les électrodes ferriques produisent un métal de soudure à martensite à haut carbone, limitées aux réparations mineures et quand la correspondance de couleur est requise.

Les électrodes à base de nickel sont les plus utilisées, offrant un métal de soudure plus ductile. Elles réduisent aussi le besoin de préchauffage et la fissuration en ZAT grâce à une résistance moindre du métal de soudure.

Dans tous les cas, il faut minimiser la fusion du métal de base pour limiter la dilution.

2. Soudage MAG

Le soudage MAG sur fonte s'effectue généralement avec un consommable au nickel. Un mélange 80 % argon / 20 % CO₂ convient à la plupart des applications. Le fil de brasage peut être utilisé mais n'est généralement pas recommandé car le métal de brasage est significativement plus faible que la pièce.

3. Soudage TIG

Le TIG peut produire un cordon propre sur fonte mais n'est généralement pas privilégié en raison de son chauffage très localisé. Comme pour tout TIG, la qualité dépend largement de l'habileté du soudeur.

4. Soudage oxyacétylénique

Ce procédé utilise des électrodes mais l'énergie provient d'un chalumeau oxyacétylénique plutôt que d'un arc. Les électrodes pour fonte et les électrodes cuivre-zinc conviennent toutes deux.

Il faut éviter d'oxyder la fonte pendant le soudage, ce qui cause une perte de silicium et la formation de fonte blanche dans le cordon. La baguette doit fondre dans le bain de fusion, pas directement sous la flamme, pour minimiser les gradients de température.

5. Brasage fort

Le brasage fort est une méthode courante pour assembler des pièces en fonte en raison de son impact minimal sur le métal de base. Une baguette d'apport adhère à la surface de la fonte. Comme le point de fusion de l'apport est inférieur à celui de la fonte, il ne se dilue pas mais adhère en surface.

La propreté de surface est critique car l'assemblage dépend de la qualité du mouillage. L'utilisation de flux pour prévenir la formation d'oxydes est courante. Le flux favorise le mouillage, nettoie les oxydes et permet à l'apport de mieux lier les pièces.

Techniques de soudage sans préchauffage

La taille de la pièce ou d'autres circonstances peuvent imposer une réparation sans préchauffage. Dans ce cas, la pièce doit être maintenue fraîche mais pas froide.

Élever la température à 38 °C (100 °F) est bénéfique. Si la pièce est sur un moteur, le faire tourner quelques minutes peut atteindre cette température. Ne jamais chauffer au point de ne pas pouvoir poser la main nue dessus.

Réaliser de courts cordons d'environ 25 mm. Le grenaillage (peening) après soudage est important avec cette technique. Laisser le cordon et la pièce refroidir naturellement. Ne pas accélérer le refroidissement avec de l'eau ou de l'air comprimé.

On peut souder une autre zone pendant que le cordon précédent refroidit. Tous les cratères doivent être comblés. Dans la mesure du possible, les cordons doivent être déposés dans le même sens, et les extrémités de cordons parallèles ne doivent pas s'aligner.

Fils d'apport ou électrodes pour le soudage de la fonte

Le choix de la baguette est important, la plupart des experts recommandant des électrodes au nickel.

1. Électrodes 99 % Nickel

Plus chères mais donnant les meilleurs résultats. Elles produisent des soudures usinables et fonctionnent mieux sur les pièces à faible ou moyenne teneur en phosphore. Elles donnent un cordon tendre et malléable.

2. Électrodes 55 % Nickel

Moins chères que les 99 %, aussi usinables, souvent utilisées pour les réparations de fortes épaisseurs. Leur coefficient de dilatation plus faible produit moins de fissures de ligne de fusion que les électrodes 99 %. Ces électrodes ferronickel sont idéales pour souder de la fonte sur de l'acier.

3. Électrodes acier

Option la moins chère, adaptée aux réparations mineures et au remplissage. Elles produisent des cordons durs nécessitant plus de meulage et non usinables. Cependant, elles assurent une correspondance de couleur et tolèrent mieux les pièces pas parfaitement propres que les électrodes nickel.

4. Bronze de brasage

Utilisable au chalumeau oxyacétylénique ou avec un poste TIG. Bon moyen d'assurer une liaison solide dans une fissure ou entre deux composants, sans provoquer de fissuration ni modifier les propriétés de la fonte.

Nettoyage et grenaillage des surfaces soudées

Comme pour tout soudage, plus la surface est propre, meilleurs sont les cordons. Parfois, le matériau a accumulé une vie de fumées ou d'huile, ce qui complique le soudage.

L'utilisation de consommables conçus pour la fonte contaminée, comme les baguettes MG-289, est le meilleur moyen d'assurer un cordon suffisant.

Le grenaillage consiste à taper le cordon encore tendre avec un marteau à bille pour prévenir la fissuration. Cela doit être fait avec précaution et seulement quand le cordon peut se déformer, mais ce n'est pas toujours nécessaire, car ce qui cause principalement les fissures est le chauffage ou refroidissement irrégulier ou rapide. Le préchauffage et le refroidissement lent sont ce qui compte le plus.

Préchauffer ou souder à froid ?

Il existe différentes opinions sur le soudage à chaud ou à froid. Tous s'accordent que le préchauffage est une bonne option, mais certains suggèrent qu'un soudage à chaleur minimale suffit aussi.

Lorsqu'on décide comment souder la fonte, l'une de ces approches est nécessaire, car contrairement à la plupart des métaux, la fonte est fragile et a une capacité minimale à se déformer par flexion, dilatation ou contraction. La chaleur a toujours un effet déformant, et si une partie chauffe ou refroidit plus vite qu'une autre, des contraintes et fissures apparaissent.

Le préchauffage minimise cet effet en amenant la zone environnante près de la température de soudage, faisant varier l'ensemble uniformément. La fonte change de caractéristiques au-delà de 760 °C (1400 °F), il est donc crucial de ne pas apporter de chaleur excessive.

Souder à froid sans préchauffage et avec une chaleur minimale aide en réduisant la température globale. Cela peut éviter les fissures visibles et produire un cordon plus fort qu'un soudage à chaud sans préchauffage. Cependant, des contraintes internes subsistent, pouvant apparaître plus tard, et le cordon est globalement plus faible qu'avec un préchauffage correct.

Les soudeurs expérimentés qui réparent ou fabriquent régulièrement des pièces en fonte préchauffent toujours. C'est le meilleur moyen d'assurer un cordon solide intérieurement, pas seulement visiblement sans fissure.