Souder une fonte : la métallurgie du joint

Plonge un glaçon dans l'eau tiède : il craque. Sa surface se dilate, son cœur froid la retient, et la glace, fragile, ne peut pas se déformer pour s'accommoder. Une soudure fait la même chose à une pièce : elle chauffe une petite zone, qui se dilate puis se rétracte en refroidissant, pendant que le reste de la pièce, froid, la retient. Le cordon et son voisinage se retrouvent étirés. Un acier s'étire de 20 % avant de rompre et encaisse ce retrait sans broncher ; une fonte GL ne s'étire que de quelques dixièmes de pour cent. Elle fissure.

Par rapport à un acier, la fonte cumule des atouts et des pièges :

• elle fond plus bas : il faut moins de chaleur pour la souder ;
• son liquide est très fluide : on soude surtout à plat ;
• son module d'élasticité est plus faible (pour les GL) : à déformation égale, elle se met moins en contrainte ;
• mais elle est peu ductile, voire pas du tout ;
• et elle est très sensible au refroidissement rapide : son carbone forme de la cémentite ou de la martensite, dures et fragiles (cours 1).

Le problème général du soudage des fontes tient donc en une phrase : garder le carbone à l'état de graphite, et ne pas tirer sur une matière qui ne s'étire pas. D'où trois règles : limiter la dilution, ralentir le refroidissement, éviter les contraintes de traction.

Qui se soude ? Les fontes les plus ductiles. Les GS ferritiques se soudent le mieux ; les GS perlitiques, GV et GL se soudent avec précautions ; parmi les malléables, les nuances à cœur blanc minces et décarburées se soudent bien, les autres mal ; les fontes blanches, les fontes alliées au chrome ou au silicium et les ADI ne se soudent pas pour l'assemblage. Les fontes austénitiques au nickel se soudent avec des apports au nickel.

Le bilan de déformation. Une zone chauffée puis refroidie, retenue par une pièce froide, subit une déformation de traction proportionnelle à l'écart de température au-dessous duquel le métal ne se relâche plus :

Sans préchauffage et pleinement bridée : ε ≈ 12 × 10⁻⁶ × 630 ≈ 0,76 %. Une EN-GJL-250 n'encaisse qu'environ 250/110 000 + 0,3 % ≈ 0,53 % : elle fissure. Préchauffée à 300 °C : ε ≈ 0,42 %, elle tient. Une GS ferritique, avec 15 % d'allongement, encaisse sans difficulté ; une fonte blanche, sans allongement, fissure même préchauffée à 300 °C.

Les groupes de matériaux. L'ISO/TR 15608 range les fontes dans le groupe 7, utilisé pour les qualifications de modes opératoires et de soudeurs :

Les normes du soudage des fontes. L'EN 1011-8 donne les recommandations pour le soudage par fusion des pièces en fonte non alliée et faiblement alliée (EN 1561, EN 1562, EN 1563) : préchauffage et température entre passes, énergie, produits d'apport, traitement après soudage ; elle ne traite pas l'assemblage d'une fonte avec un autre métal. L'ISO 15614-3 qualifie les modes opératoires de soudage de production et de réparation de ces fontes (EN 1561 à EN 1564), et ses principes s'appliquent au soudage fonte-acier. L'ISO 1071 classe les produits d'apport (cours 4).

Les facteurs liés à la pièce. Une pièce ancienne ou ayant servi a pu absorber de l'huile dans ses porosités, contenir des inclusions de sable ou des retassures, porter une peau de fonderie oxydée, ou s'être graphitisée par corrosion (cours 2). Ces défauts donnent des soufflures et des manques de liaison.

Autour d'un feu de camp, le sol garde la trace de la chaleur : braises au centre, cendre pâteuse au bord, terre cuite plus loin. Autour d'un cordon, chaque point de la fonte a atteint une température maximale qui dépend de sa distance au bain, et cette température décide de ce qu'il devient :

• la zone fondue (ZF) : métal d'apport mélangé à de la fonte fondue. Sa structure dépend du métal d'apport et de la dilution (chapitre 3) ;
• la zone partiellement fondue (ZPF) : chauffée entre le palier eutectique (vers 1 150 °C) et le liquidus de la fonte (vers 1 200 °C). Le liquide eutectique y apparaît autour du graphite, sans que la zone fonde entièrement. Le métal d'apport n'y arrive pas, et ce liquide refroidit très vite contre la pièce froide : il se solidifie en fonte blanche (lédéburite). C'est la zone la plus dure et la plus fragile ;
• la zone affectée thermiquement (ZAT) : chauffée dans le domaine de l'austénite sans fondre. Le graphite voisin se dissout en partie, l'austénite s'enrichit en carbone, et un refroidissement rapide la transforme en martensite dure. Plus loin, une bande intercritique ne s'austénitise qu'en partie ;
• le métal de base, chauffé sous la transformation, garde sa structure.

Un acier n'a pratiquement pas de zone partiellement fondue : son intervalle de solidification est étroit. La fonte, avec son eutectique et ses écarts entre solidus et liquidus, en a toujours une.

La température maximale. Pour une tôle soudée en pleine épaisseur, la formule d'Adams relie la température maximale T_p atteinte à une distance y de la ligne de fusion à l'énergie de soudage et à l'épaisseur :

En résolvant pour chaque seuil, on obtient la largeur de chaque zone. Avec Q = 1 kJ/mm, t = 10 mm et sans préchauffage : ZPF ≈ 0,21 mm, ZAT austénitisée jusqu'à ≈ 2,3 mm, bande intercritique jusqu'à ≈ 2,6 mm. Préchauffée à 300 °C, la pièce donne une ZPF de 0,36 mm et une ZAT de 4,7 mm : le préchauffage élargit les zones mais ralentit leur refroidissement, ce qui évite les constituants durs (chapitre 4).

Le carbone voyage peu, mais assez. Le carbone du graphite diffuse dans l'austénite sur une distance de l'ordre de √(D·t) : avec D ≈ 2 × 10⁻¹¹ m²/s vers 1 000 °C, environ 6 µm en 2 s, 14 µm en 10 s. Dans une GS, la martensite forme donc des auréoles autour des sphéroïdes ; dans une GL, des liserés le long des lamelles. Une GS perlitique, dont la matrice contient déjà du carbone, durcit davantage qu'une GS ferritique.

Le bain de soudure est un mélange : du métal d'apport et une part de fonte fondue, la dilution. Or la fonte fondue apporte 3 à 4 % de carbone. Ce que devient ce carbone décide de la zone fondue :

• avec un apport en fonte (soudage homogène) : la zone fondue est de la fonte. Elle sort grise si l'on refroidit lentement et si l'apport est riche en silicium, blanche sinon. C'est le choix du régime chaud ;
• avec un apport en acier : l'acier absorbe le carbone de la fonte et devient un acier très chargé, qui trempe en martensite dure et se rétracte fortement : fissures assurées, sauf pour de petites réparations sans exigence ;
• avec un apport au nickel : le nickel ne forme pas de carbures et dissout peu de carbone ; l'excès ressort en graphite. La zone fondue est une austénite au nickel, ductile, tendre et usinable, qui accepte le retrait. Le nickel-fer, à environ 55 % de nickel, est plus résistant et se dilate moins, plus près de la fonte.

Mais le nickel se dilue lui aussi : trop de fonte fondue, et la teneur en nickel du bain baisse jusqu'à ce que l'austénite devienne instable. D'où la règle d'or du soudage hétérogène : petite électrode, faible intensité, faible dilution.

La règle des mélanges. La dilution se mesure sur une macrographie ; la composition de la zone fondue s'en déduit :

Exemples : avec un apport en acier à 0,08 % de carbone et 30 % de dilution, la zone fondue contient 0,08 + 0,30 × (3,4 − 0,08) ≈ 1,1 % de carbone : un acier à outils trempé, au-delà de 700 HV. Avec un nickel-fer à 55 % de nickel, la zone fondue garde 0,70 × 55 ≈ 38,5 % de nickel à 30 % de dilution, mais 27,5 % seulement à 50 %. Le modèle de la manipulation considère l'austénite au nickel stable au-dessus d'environ 32 % de nickel : la dilution d'un nickel-fer doit rester sous 1 − 32/55 ≈ 42 %. Un apport à 95 % de nickel tolère beaucoup plus.

Soufre et phosphore. Avec le nickel, le soufre forme un eutectique nickel-sulfure qui fond vers 640 °C, et le phosphore un eutectique nickel-phosphore vers 870 °C : ces films liquides aux joints de grains provoquent la fissuration à chaud de la zone fondue. Les fontes riches en phosphore (fontes anciennes, fontes d'art) et les fortes dilutions y exposent ; le nickel-fer y résiste mieux que le nickel pur. Côté fonte, le phosphore forme aussi un eutectique phosphoreux fragile, qui refond facilement.

Un potier ne passe jamais une poterie de la flamme au froid : il la cuit entière dans son four et la laisse refroidir des heures. Une couturière, elle, ne tire jamais tout le tissu : elle avance à petits points. Ce sont les deux grandes façons de souder une fonte.

• Le régime chaud imite la fonderie. On chauffe toute la pièce vers 500 à 650 °C, on la soude avec un apport en fonte en gardant cette température, puis on la laisse refroidir très lentement, au four ou sous isolant. Rien ne refroidit vite : ni martensite dans la zone affectée, ni fonte blanche dans la zone partiellement fondue, et une zone fondue en fonte grise. Le joint a la couleur, l'usinabilité et les propriétés de la pièce. Le prix : un four ou un chauffage lourd, des déformations possibles, des heures de travail, et un soudeur exposé à une chaleur pénible.
• Le régime froid fait l'inverse : la pièce reste presque froide. On soude avec un apport au nickel ou au nickel-fer, de petit diamètre, à faible intensité, en cordons courts de quelques centimètres, espacés, martelés aussitôt, en attendant que la zone refroidisse avant le cordon suivant. La zone affectée trempe, mais elle reste très étroite ; la zone fondue, ductile, accepte le retrait. C'est la méthode de la réparation sur place, sans démonter ni déformer.
• Entre les deux, le régime demi-chaud préchauffe la zone ou la pièce vers 200 à 400 °C : la zone affectée s'adoucit, les contraintes baissent, sans les contraintes d'un vrai four.

Le régime chaud évite les zones dures ; le régime froid les accepte mais les confine.

La durée de refroidissement. Pour une pièce épaisse, où la chaleur s'évacue dans les trois directions, la solution de Rosenthal donne :

Avec Q = 1 kJ/mm : Q/(2πλ) = 1 000/(2π × 0,040) ≈ 3 980 K·s, d'où t_8/5 ≈ 3,2 s sans préchauffage, 11,9 s à 300 °C, 29,8 s à 400 °C. Le préchauffage agit beaucoup plus que l'énergie : près de 500 °C, la zone ne redescend presque plus sous 500 °C pendant le soudage, c'est le régime chaud.

Pourquoi la zone affectée trempe. Dans l'austénite de la zone affectée, le carbone vient du graphite voisin et de la perlite de la matrice. Riche en carbone et refroidie vite, elle se transforme en martensite, souvent avec de l'austénite résiduelle. Le modèle de la manipulation écrit la part de martensite f_M = 1/[1 + (t_8/5/t_c)²], avec une durée caractéristique t_c de 6 s pour une GS ferritique (peu de carbone disponible), 10 s pour une GL et 12 s pour une GS perlitique (matrice déjà chargée en carbone), puis la dureté HV = HV_MB + f_M·(HV_α′ − HV_MB), avec une martensite vers 600 à 700 HV. Ce ne sont pas des valeurs de norme : elles traduisent les tendances observées.

Une poêle en fonte, froide, posée sur une flamme vive, peut se fendre : son centre se dilate, son bord froid le retient. On la chauffe doucement, sur toute sa surface. Le préchauffage d'une pièce en fonte suit la même règle : lentement, partout, et sans relâcher. Il a quatre effets :

• il ralentit le refroidissement : moins de martensite dans la zone affectée, moins de fonte blanche dans la zone partiellement fondue (chapitres 2 et 4) ;
• il réduit les écarts de température entre la soudure et la pièce, donc le retrait imposé et les contraintes (chapitre 1) ;
• il dilate toute la pièce avec la soudure, qui se rétractent ensuite ensemble ;
• il sèche la pièce et brûle les huiles absorbées, sources de porosités.

Combien ? Cela dépend de la fonte, de sa composition, de son épaisseur, de son bridage, du procédé et du régime choisi. La composition s'évalue par un carbone équivalent de soudage CE_s : plus il est élevé, plus la fonte trempe facilement.

Le carbone équivalent de soudage. Des guides de soudage des fontes proposent un indice de composition qui pèse l'effet de chaque élément sur la trempe de la zone soudée (teneurs en % massique) :

Cet indice ne voit que la composition. Il ignore la forme du graphite, la matrice et la ductilité : une GS ferritique a un CE_s élevé à cause de son carbone et de son silicium, mais elle tolère bien mieux le retrait qu'une GL (chapitre 1) et sa zone affectée trempe moins (chapitre 4). Le préchauffage se choisit donc avec le CE_s, la famille, l'épaisseur, le bridage et le régime, puis il se qualifie.

Ces fourchettes varient d'un guide à l'autre ; les recommandations de l'EN 1011-8 et le mode opératoire qualifié font foi.

Préchauffer sans fissurer. Un écart de température ΔT entre deux zones d'une pièce bridée crée une contrainte qui peut atteindre σ ≈ E·α·ΔT. Pour une GL (E ≈ 110 GPa, α ≈ 12 × 10⁻⁶ K⁻¹) et ΔT = 200 K : σ ≈ 110 000 × 12 × 10⁻⁶ × 200 ≈ 264 MPa, de l'ordre de sa résistance. Un chauffage trop rapide ou trop local peut donc casser la pièce avant même le premier cordon.

Le rayon fissuré d'une roue : chauffé seul, il se dilate contre la jante froide, puis se rétracte et se retrouve en traction ; en chauffant aussi la jante de part et d'autre, toute la roue se dilate et se rétracte avec lui.

Mesurer selon l'ISO 13916. Pour une épaisseur t jusqu'à 50 mm, la température se mesure à une distance de 4·t du bord du chanfrein, sans dépasser 50 mm ; au-delà de 50 mm d'épaisseur, à 75 mm au moins. On mesure de préférence sur la face opposée au chauffage, et, après avoir retiré la source de chaleur, on laisse la température s'égaliser environ 2 min par 25 mm d'épaisseur. Instruments : crayons thermosensibles (qui fondent à une température donnée), thermomètres de contact, thermocouples, pyromètres infrarouges (attention à l'émissivité de la surface).

La soudure est faite, mais la fonte n'est pas encore sauvée : beaucoup de réparations fissurent pendant le refroidissement, parfois des heures après. Trois gestes finissent le travail.

• Refroidir lentement. On borde la pièce de couvertures isolantes, on l'enterre dans du sable sec ou de la vermiculite, ou on la laisse refroidir dans le four éteint. Moins d'écart de température, moins de contraintes, moins de constituants durs.
• Marteler. Juste après chaque cordon court, tant qu'il est chaud, on le frappe à petits coups rapides avec un marteau à panne ronde ou un outil pneumatique. Le métal déposé s'étire et compense son retrait : au lieu de tirer sur la fonte, il se retrouve plutôt comprimé. On ne martèle que des dépôts ductiles (nickel, nickel-fer), jamais un dépôt en fonte, ni la fonte elle-même.
• Traiter après soudage si nécessaire : un détensionnement relâche les contraintes et revient la martensite ; une ferritisation adoucit la zone affectée et la matrice ; un recuit de graphitisation, plus chaud, décompose les carbures de la zone partiellement fondue.

Enfin, l'ordre de soudage compte : cordons courts, alternés d'une extrémité à l'autre ou en pas de pèlerin (chaque cordon déposé en reculant vers le précédent), pour ne jamais accumuler la chaleur ni le retrait au même endroit.

Température et durée s'échangent. Le revenu de la martensite dépend de la température et de la durée de maintien à travers le paramètre de Hollomon et Jaffe :

À 600 °C pendant 1 h : P = 873 × 20 × 10⁻³ ≈ 17,5. Le même revenu demande environ 5 min à 650 °C, mais plus de 16 h à 550 °C : la température compte bien plus que la durée.

Repères courants : un maintien de l'ordre de 1 h par 25 mm d'épaisseur, puis un refroidissement au four vers 55 °C/h jusqu'à environ 315 °C, et à l'air ensuite. Le détensionnement après soudage est un peu plus chaud que celui de fonderie (500 à 600 °C, cours 2) : il doit aussi revenir la martensite de la zone affectée. Montée et descente se font lentement, pour ne pas recréer les contraintes qu'on veut éliminer (σ ≈ E·α·ΔT, chapitre 5). Au-dessus du domaine intercritique, vers 780 à 810 °C pour une fonte à 2 % de silicium, la matrice redevient austénite : c'est le refroidissement qui décide alors de la structure, et un refroidissement trop rapide recrée de la martensite.

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Les valeurs viennent des formules du cours et des modèles des manipulations ; le défi se rejoue dans la manipulation 4.