Souder une fonte : la pratique

Un bon artisan ne prend pas le même outil pour une vis et pour un clou. Pour une fonte, la boîte à outils se range en deux tiroirs :

• les procédés qui fondent la fonte : le chalumeau avec une baguette en fonte, l'électrode enrobée, le MIG et le fil fourré, l'aluminothermie. Ils créent une zone fondue, une zone partiellement fondue et une zone affectée (cours 3) ;
• les procédés qui ne la fondent pas : le soudobrasage au laiton, le chalumeau à poudre de nickel, la projection thermique. L'apport fond, la fonte non : pas de fonte blanche, pas de martensite de trempe à la ligne de fusion.

Le choix dépend de cinq questions : quelle fonte (famille, état, propre ou imprégnée) ? quel travail (réparation, assemblage, rechargement, liaison avec un acier) ? quelle pièce (taille, épaisseur, démontable ou non, peut-elle entrer dans un four) ? quelles exigences (résistance, étanchéité, couleur, usinabilité) ? quel coût et quel délai ?

Quelques réflexes : si la pièce entre dans un four et doit garder sa couleur et son usinabilité, on soude fonte sur fonte en régime chaud ; si elle reste en place, on soude à froid au nickel ou au nickel-fer ; si elle est ancienne, fragile ou riche en phosphore, on la soudobrase ; si la brèche est énorme, on coule du métal neuf par aluminothermie.

Le chalumeau oxyacétylénique est la méthode historique pour souder les fontes grises. Sa flamme fond une partie de la pièce et une baguette en fonte : le joint est en fonte, de même couleur et de même usinabilité que la pièce. La chaleur, plus douce que celle d'un arc, se règle facilement.

• On soude en régime chaud : toute la pièce est préchauffée, entre 425 et 675 °C selon la fonte, et maintenue chaude pendant le soudage, puis refroidie lentement.
• La flamme est franchement réductrice (excès d'acétylène) : elle protège le carbone, le silicium et le magnésium de l'oxydation. Un flux dissout les oxydes et facilite l'élimination du laitier.
• La baguette contient un excès de carbone et de silicium, qui s'évaporent ou s'oxydent en partie, et, pour une GS, du magnésium et du cérium pour sphéroïdiser le graphite de la zone fondue.

Le magnésium est volatil, comme le parfum d'un flacon débouché : plus le bain reste liquide longtemps, plus il s'en va. Sous un certain seuil, le graphite de la zone fondue redevient vermiculaire, puis lamellaire (cours 1) : la soudure d'une GS n'est plus une GS.

Le chalumeau à poudre travaille autrement, en régime froid : une poudre à base de nickel, additionnée d'éléments qui abaissent sa température de fusion et la rendent fluide, est projetée dans la flamme et fond à la surface sans fondre la fonte, qui reste sous environ 750 °C. Le dépôt est dense, sans oxydes ni porosités. C'est un procédé lent et coûteux, réservé au rechargement, au bouchage de petits défauts et aux fontes fortement alliées.

L'évanouissement du magnésium. Le modèle de la manipulation fait décroître le magnésium du bain avec une demi-vie t_½ qui dépend de la flamme :

En flamme neutre, le bain passe sous 0,028 % au bout de t = 30 × log₂(0,06/0,028) ≈ 33 s, sous 0,014 % au bout d'environ 63 s. En flamme réductrice, ces durées doublent. D'où des bains petits, menés sans traîner, et des baguettes surdosées en magnésium.

Les guides donnent souvent 550 à 650 °C pour le soudage homogène des fontes ; sous environ 425 °C, la zone fondue et la zone partiellement fondue refroidissent trop vite et blanchissent.

Les baguettes. Dans l'ISO 1071, les apports « semblables » à la fonte portent un symbole commençant par FeC. Autre notation courante, chez l'AWS : RCI (fonte grise), RCI-A (fonte grise alliée), RCI-B (fonte GS, avec magnésium ou cérium). Le silicium et le nickel de la baguette s'ajustent à la dureté voulue dans la zone fondue.

La préparation. Chanfreins en V ou en X, ouverts à 90° pour les fontes grises et à 75° pour les GS, sans angles vifs ; le X est préférable, soudé alternativement d'un côté puis de l'autre. Pour une pleine pénétration, un support envers en graphite retient le bain très fluide. On soude à plat, en cordons courts et décalés, en couches épaisses décalées ou en couches fines « en cascade ».

L'électrode enrobée est l'outil de réparation le plus courant : plus rapide que le chalumeau, elle chauffe moins la pièce et donne une zone affectée plus étroite. Il faut un poste, des électrodes adaptées et un soudeur qualifié. Le choix de l'électrode suit la fonte :

• fontes GS et malléables : électrodes au nickel-fer, de préférence ;
• fontes grises : électrodes au nickel ou au nickel-cuivre, les plus utilisées, tendres et usinables mais moins résistantes ; au nickel-fer pour plus de résistance ; en fonte, avec un préchauffage de 480 à 590 °C, de petit diamètre, en coupant l'arc par allongement ;
• malléables décarburées en surface : électrodes en acier doux, en limitant la pénétration ;
• fontes austénitiques à graphite lamellaire : électrode enrobée déconseillée, la zone affectée fissure ; les austénitiques GS se soudent mieux avec des apports à base de nickel (cours 2).

Le MIG et le fil fourré au nickel ou au nickel-fer apportent la productivité : on limite la pénétration avec un transfert en court-circuit ou en grosses gouttes, et l'on obtient des propriétés proches de celles de la fonte, comme pour la réparation d'un tambour de treuil en fonte grise au fil fourré.

Le beurrage ressemble au beurre étalé sur une tartine : on dépose d'abord, à faible énergie, une ou plusieurs couches d'un métal facile à souder (souvent du nickel) sur les bords du chanfrein. Ces couches tampons absorbent la dilution avec la fonte. On remplit ensuite le joint sur le beurre, avec plus d'énergie, voire avec un apport moins cher : il ne voit presque plus la fonte.

Désigner un apport. L'ISO 1071 classe les électrodes enrobées, fils, baguettes et fils fourrés pour le soudage par fusion des fontes non alliées, d'après la composition des fils et baguettes ou celle du métal déposé pour les électrodes et fils fourrés. Elle distingue les apports semblables à la fonte, qui demandent un préchauffage élevé (typiquement 550 à 650 °C), et les apports différents, qui en demandent peu ou pas. Une électrode au nickel-fer se désigne par exemple E C NiFe-CI : E pour électrode enrobée, C pour fonte, puis le symbole de composition ; les fiches de produits ajoutent un chiffre défini par la norme.

Le coefficient de joint. Avec des électrodes au nickel-fer, un joint atteint environ 91 % de la résistance R_m du métal de base sur fonte grise, 88 % sur malléable ferritique et 76 % sur GS : une GS est la fonte qu'on soude le mieux, mais c'est aussi celle qui perd le plus en proportion, car sa propre résistance est élevée. Sur EN-GJS-400-15 : σ_j ≈ 0,76 × 400 ≈ 304 MPa.

La dilution en cascade. Chaque couche fond une partie D de la couche précédente. La part f de métal venu de la fonte et la teneur X d'un élément suivent :

Deux couches de nickel à 25 % de dilution laissent f = 0,25 × 0,25 ≈ 6 % de fonte ; une passe d'acier diluée à 35 % n'en contient plus que 2 %, soit environ 0,15 % de carbone : un acier doux. Posée directement sur la fonte, la même passe aurait 1,24 % de carbone et tremperait.

Une goutte d'eau perle sur une vitre grasse et s'étale sur une vitre propre. Le soudobrasage repose sur le même phénomène, le mouillage. Un laiton (alliage cuivre-zinc), qui fond vers 890 à 935 °C, bien en dessous de la fonte (vers 1 150 °C), est déposé dans un joint ouvert comme une soudure. Il s'étale sur la surface chaude et propre et s'y lie par diffusion, sans fondre la fonte.

Les conséquences sont précieuses pour une fonte : pas de zone fondue en fonte, pas de fonte blanche à la ligne de fusion, une zone affectée mince. Et comme le laiton est ductile, il se déforme plastiquement pendant son retrait au lieu de tirer sur la fonte : les contraintes résiduelles restent faibles. Le joint est souvent plus résistant que la fonte elle-même.

Trois conditions :

• enlever le graphite de surface, que le laiton ne mouille pas : chauffer au rouge sous flamme oxydante pour le brûler, grenailler, ou utiliser des flux ou des bains spéciaux ;
• préchauffer au-dessus d'environ 400 °C, éventuellement localement, puis porter la surface à la température de mouillage, juste au-dessus du liquidus du laiton ;
• protéger par un flux pour laitons et une flamme légèrement oxydante, dont la fine pellicule d'oxyde de zinc freine l'évaporation du zinc.

Ses limites : une couleur jaune différente de la pièce, un risque de corrosion galvanique entre cuivreux et fonte, et pas de service à chaud ni en milieu ammoniacal, qui fissure les laitons.

En Europe, l'ISO 17672 range ces apports parmi les cuivreux ; le laiton CuZn40 du brasage en est un proche parent. Le flux est de classe FH21 (ISO 18496).

La fenêtre de température. Trop froid, le laiton n'est pas liquide et ne mouille pas ; trop chaud, le zinc, qui bout à 907 °C, s'évapore en fumées et laisse des porosités. Le modèle de la manipulation écrit :

Avec un RBCuZn-B, une surface propre à 920 °C : σ_j ≈ 344 MPa, plus que les 250 MPa d'une EN-GJL-250 : la rupture se produira dans la fonte. Sans décapage, σ_j tombe à 0,7 × 344 ≈ 241 MPa.

La conception. Le chanfrein de soudobrasage est arrondi, en forme de tulipe, sans arête vive : une arête concentre la chaleur, surchauffe et le laiton s'y décolle. Comme le joint ne dissout pas la fonte, le soudobrasage convient aussi pour assembler une fonte à un acier ou à un cuivreux.

Une réparation réussie se joue avant l'arc. Les étapes :

• identifier la fonte (cours 2), nettoyer : dégraisser, chauffer pour brûler l'huile absorbée, enlever la peau de fonderie et la calamine ;
• éliminer le défaut jusqu'au métal sain, par meulage ou gougeage, et le vérifier au ressuage ;
• ouvrir large et arrondir : une excavation ouverte à au moins 90°, à fond arrondi, sans arête vive ; pour un défaut profond, une forme en U ;
• pour une fissure : repérer ses vraies extrémités au ressuage, car la pointe visible n'est pas la pointe réelle ; percer un petit trou à chaque extrémité ; gouger le long de la fissure ; souder en cordons courts, en partant d'un trou d'arrêt, en pas de pèlerin (cours 3), avec une pause entre deux cordons ;
• pour reconstituer une partie manquante, retenir le bain très fluide par des plaques de graphite ou un moule en sable.

Pourquoi le trou ? La pointe d'une fissure est infiniment aiguë : elle concentre la contrainte des dizaines de fois. Le retrait de la soudure suffirait à la faire avancer. Un trou remplace cette pointe par un arrondi de quelques millimètres de rayon : la concentration de contrainte chute, la fissure s'arrête.

La concentration de contrainte. Pour une entaille elliptique de demi-longueur a et de rayon en fond ρ, dans une plaque tendue par σ, la formule d'Inglis donne :

Fissure visible de 60 mm, vraies pointes à 3 mm plus loin : sans trou, K_t = 1 + 2√(33/0,05) ≈ 52 ; sous 30 MPa, la pointe voit plus de 1 500 MPa. Avec un trou de 6 mm centré sur la vraie pointe (x = 3 mm) : a = 30 + 3 + 3 = 36 mm, K_t = 1 + 2√(36/3) ≈ 7,9, σ_max ≈ 238 MPa, sous les 250 MPa d'une EN-GJL-250. Un trou qui manque la vraie pointe ne sert à rien.

Excavations ouvertes à 90° au moins et arrondies ; chanfrein en tulipe pour le soudobrasage ; soudure déplacée hors de l'angle, là où la contrainte se concentre.

Couper et gouger une fonte. L'oxycoupage ordinaire marche mal : le carbone et le silicium s'oxydent en premier, et les oxydes de fer et de silicium forment un laitier pâteux qui fait écran. On s'en sert surtout pour démolir de grosses pièces, avec un préchauffage de 425 à 565 °C, des mouvements oscillants, ou un ajout de poudre ou de fil d'acier doux dans la flamme. Pour préparer une réparation, on préfère le gougeage à l'arc-air (électrode de carbone et air comprimé, qui chasse le métal fondu), le coupage à l'électrode creuse sous oxygène, ou le coupage plasma.

Sur une grosse cassure, la liaison entre la soudure et la fonte passe par la zone partiellement fondue et la zone affectée, les plus fragiles (cours 3). Pour ne pas tout confier à cette mince couche, on ancre la soudure plus loin, dans la fonte saine :

• le goujonnage : on perce et taraude les faces du chanfrein, on y visse des goujons en acier, en quinconce, qui dépassent de quelques millimètres ; on les enrobe d'abord de soudure, puis on remplit le joint. Les goujons portent une partie de l'effort au-delà de la zone fragile ;
• les renforts : une tôle d'acier soudée sur le joint, éventuellement sur des goujons ;
• les ancrages : des fers ronds coudés logés dans des rainures, ou des pièces découpées en forme d'os ou de double queue d'aronde ;
• l'agrafage à froid, sans soudure : des clés métalliques et des pions vissés traversent la fissure, sans aucune chaleur ;
• le rechargement préalable des bords, en cordons parallèles qui créent une rugosité.

Quand la brèche est énorme, on peut couler du métal neuf : c'est l'aluminothermie. Un moule réfractaire est construit autour de la cavité ; un mélange de poudre d'aluminium et d'oxyde de fer, allumé dans un creuset, réagit violemment et produit de la fonte ou de l'acier liquide, qui coule dans le moule, fond les bords préchauffés et se lie à la pièce. C'est lent et coûteux, mais irremplaçable pour les grandes réparations sur place, sur des pièces épaisses ou inaccessibles à d'autres procédés.

La réaction. L'aluminium, plus avide d'oxygène que le fer, lui prend son oxyde :

Pour une brèche de 30 × 80 × 120 mm : V = 3 × 8 × 12 = 288 cm³, soit environ 2,0 kg de métal (7 g/cm³) ; avec k = 1,5 pour les masselottes et les pertes : 3,0 kg de métal, donc 3,0/0,523 ≈ 5,8 kg de mélange, qui dégagent 5,8 × 3,99 ≈ 23 MJ.

Goujons vissés en quinconce sur les faces du chanfrein ; renfort par tôle soudée sur goujons ; agrafe en os logée dans une empreinte usinée à travers la fissure.

Le goujonnage en pratique. Les guides proposent des goujons d'acier de quelques millimètres à une douzaine de millimètres de diamètre, vissés en quinconce, sur une ou plusieurs rangées selon l'épaisseur, et dépassant de 3 à 6 mm. On soude d'abord autour de chaque goujon, en couvrant les faces du chanfrein, puis on remplit. Trop de goujons, trop gros, affaiblissent la section de fonte : ils se dosent.

Une réparation de fonte qui doit tenir sous pression, porter une charge ou passer une inspection ne se fait pas « au savoir-faire » seulement. On la qualifie : on écrit un DMOS préliminaire, on soude un assemblage d'essai dans les conditions prévues, on le contrôle et on l'essaie ; si tout est conforme, un procès-verbal de qualification valide le mode opératoire, dans un domaine défini. Pour les fontes non alliées et faiblement alliées, c'est l'ISO 15614-3, qui couvre le soudage de production et de réparation des pièces selon l'EN 1561 à l'EN 1564, et dont les principes s'appliquent au soudage fonte-acier. Les recommandations de l'EN 1011-8 aident à écrire le DMOS.

Après la réparation, on contrôle : examen visuel, ressuage ou magnétoscopie pour chercher les fissures le long de la ligne de fusion, dureté si l'usinage compte, parfois radiographie, ultrasons ou épreuve d'étanchéité.

Les aciers moulés sont les cousins des fontes : des pièces coulées, mais en acier. Ils se désignent comme les aciers, précédés de la lettre G : G20Mn5, ou GP240GH (P pour appareils à pression, 240 MPa de limite d'élasticité, GH pour les températures élevées). Ils se soudent comme les aciers laminés, avec les mêmes règles de carbone équivalent, de préchauffage et de traitement après soudage, et les mêmes défauts, à une exception près : sans laminage, pas d'arrachement lamellaire. Mais ils ont leurs défauts de fonderie : hétérogénéités de composition, microretassures, porosités. Les zones à souder ou à usiner doivent être saines.

En fonderie d'acier, souder pour réparer les défauts de coulée est une étape normale de la fabrication : c'est le soudage de production, avant livraison, qualifié selon l'ISO 11970. Le soudage effectué après livraison est une réparation. Les spécifications de produits fixent quand une réparation devient importante et ce qu'elle impose.

Le parcours de qualification. DMOS-P (le mode opératoire proposé) → assemblage d'essai soudé devant un examinateur → contrôles non destructifs et essais destructifs prévus par la norme → procès-verbal de QMOS → DMOS de production, appliqué dans le domaine de validité de la qualification (matériaux, épaisseurs, procédé, apports, préchauffage, traitement thermique…). Les essais déjà faits selon d'anciennes normes nationales restent valables.

Les aciers moulés. Normes de produits : EN 10213 (service sous pression), EN 10293 (usage général), EN 10340 (construction). Leur soudabilité s'évalue comme celle des aciers, par le carbone équivalent de l'IIW :

Les réparations importantes. Les spécifications d'aciers moulés distinguent les réparations courantes des réparations importantes, qui demandent souvent l'accord de l'acheteur, une cartographie des soudures, des contrôles volumiques et un traitement thermique. Dans l'ASTM A216, par exemple, une réparation dont la profondeur dépasse 20 % de la paroi ou 25 mm, la plus petite des deux, ou dont la surface dépasse environ 65 cm², ou qui corrige une fuite à l'épreuve hydraulique, impose un détensionnement ou un traitement thermique après soudage ; ces mêmes réparations sont radiographiées si l'acheteur a demandé l'exigence supplémentaire correspondante.

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 5.