Soudage de la fonte à l’acier

Le soudage de la fonte à l’acier exige une solide connaissance de la métallurgie, de la thermodynamique et des techniques de soudage précises. Bien que ces deux matériaux soient largement utilisés dans les secteurs de la construction, de la fabrication et de la réparation, leur assemblage présente un ensemble de défis uniques en raison de leurs compositions et propriétés différentes.

Cet article explore comment souder la fonte à l’acier, les défis à relever, les méthodes de soudage des métaux appropriées et les meilleures pratiques pour obtenir une soudure réussie et durable.

Comprendre la fonte et l’acier

Avant d’aborder le processus de soudage, il est essentiel de comprendre les différences fondamentales entre la fonte et l’acier :

• La fonte est un alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone est supérieure à 2 %, souvent comprise entre 2,5 et 4 %. Elle contient également du silicium et des traces d’autres éléments. La fonte est dure, cassante et présente une excellente résistance à l’usure, mais une faible ductilité et une faible résistance à la traction. En raison de sa fragilité inhérente, la fonte est susceptible de se fissurer sous l’effet de contraintes mécaniques ou de changements brusques de température.
• L’acier, en revanche, est un alliage de fer et de carbone contenant moins de 2 % de carbone. Sa faible teneur en carbone et ses éléments souvent alliés le rendent plus ductile, plus résistant et plus facile à souder.

En raison de ces différences importantes dans les propriétés physiques et chimiques, le soudage de la fonte à l’acier nécessite une préparation et des méthodes spéciales afin de minimiser les risques de défaillance.

Défis liés au soudage de la fonte à l’acier

Le soudage de la fonte à l’acier n’est pas aussi simple que le soudage de deux métaux similaires. Voici quelques-uns des principaux défis à relever :

1. Taux de dilatation différents

L’acier et la fonte réagissent différemment à la chaleur, se dilatant et se contractant à des vitesses variables. Cette incompatibilité peut introduire des contraintes dans le joint pendant le refroidissement, entraînant des fissures.

2. Migration du carbone

Pendant le soudage, le carbone de la fonte peut se diffuser dans l’acier, créant des carbures durs et cassants dans la zone affectée par la chaleur (HAZ) qui affaiblissent le joint et augmentent le risque de fissuration.

3. Sensibilité à la fissuration

La fonte est très sensible à la fissuration lorsqu’elle est chauffée et refroidie rapidement en raison de sa fragilité. Sans un préchauffage adéquat et un refroidissement lent, des fractures de contrainte peuvent facilement se produire.

4. Porosité et inclusions

Le graphite présent dans la fonte peut provoquer de la porosité et une contamination dans la soudure, ce qui réduit la résistance et la ductilité.

Procédés de soudage appropriés

Plusieurs méthodes de soudage peuvent être utilisées pour assembler la fonte et l’acier. Le choix dépend de l’application, de la géométrie des pièces et des nuances des matériaux.

1. Soudage à l’arc avec électrode enrobée (SMAW)

Également connu sous le nom de soudage à l’arc avec électrode enrobée, le SMAW est l’une des méthodes les plus couramment utilisées pour souder la fonte à l’acier. Il convient aux travaux sur site et aux réparations.

• Électrodes : utilisez des électrodes à base de nickel (ENi-CI ou ENiFe-CI), qui offrent une bonne ductilité et minimisent la formation de zones dures.
• Avantages : configuration simple, portable et coût relativement faible.
• Remarque : préchauffez la fonte à une température comprise entre 500 et 1 200 °F en fonction de l’épaisseur de la section afin de réduire les contraintes thermiques.

2. Soudage à l’arc sous gaz avec électrode de tungstène (GTAW ou TIG)

Le soudage TIG offre un excellent contrôle et est idéal pour les soudures petites et précises.

• Baguette d’apport : l’utilisation de baguettes d’apport à base de nickel est recommandée.
• Gaz de protection : utilisez de l’argon ou de l’hélium.
• Remarque : généralement utilisé pour les sections lourdes en raison de sa pénétration limitée et des compétences requises.

3. Soudage à l’arc sous gaz avec métal d’apport (GMAW ou MIG)

Le soudage MIG est plus rapide que le soudage TIG et convient aux applications plus importantes ou moins critiques.

• Fil : les fils à base de nickel ou en acier inoxydable sont les plus adaptés.
• Remarque : un préchauffage et un détensionnement après soudage sont toujours nécessaires.

4. Brasage

Bien qu’il ne s’agisse pas d’une technique de soudage au sens strict, le brasage est une option viable lorsque la résistance mécanique est moins critique.

• Matériau d’apport : cuivre-zinc ou argent.
• Température : inférieure à celle du soudage par fusion ; réduit les contraintes thermiques et les fissures.
• Remarque : fournit une liaison métallurgique, mais moins résistante que le soudage par fusion.

Guide étape par étape pour souder la fonte à l’acier

Voici un processus de base pour souder la fonte à l’acier à l’aide de la méthode SMAW avec une électrode à base de nickel :

Étape 1 : Préparation

• Nettoyez soigneusement les surfaces en fonte et en acier.
• Éliminez la peinture, la rouille, l’huile et toute contamination de surface.
• Biseautez les bords du joint afin de créer une rainure appropriée pour une pénétration complète de la soudure.

Étape 2 : Préchauffage

• Chauffez progressivement la partie en fonte à une température comprise entre 500 et 1200 °F.
• Surveillez la température à l’aide d’un thermomètre infrarouge ou d’un thermomètre à tige.
• Le préchauffage réduit le gradient thermique et minimise les contraintes internes.

Étape 3 : Soudage

• Utilisez des réglages à faible ampérage pour réduire l’apport de chaleur.
• Soudez des cordons courts (pas plus de 1 à 2 pouces) pour limiter l’accumulation de chaleur.
• Martelez le cordon de soudure immédiatement après le dépôt afin de réduire les contraintes résiduelles.

Étape 4 : Refroidissement

• Laissez le joint refroidir très lentement.
• Pour éviter un refroidissement rapide et minimiser les fissures, enveloppez le composant soudé dans une couverture isolante ou enfouissez-le dans du sable.

Étape 5 : Traitement post-soudage

• Pour les applications soumises à des contraintes élevées, effectuez un traitement thermique de détente.
• Inspectez les fissures à l’aide d’un test de ressuage ou d’un test de particules magnétiques.

Conseils et bonnes pratiques

• Électrodes en nickel : privilégiez toujours les électrodes à base de nickel pour le soudage dissimulé. Elles fonctionnent bien avec l’acier et la fonte, offrant flexibilité et résistance à la fissuration.
• Évitez la surchauffe : une chaleur excessive peut entraîner la pénétration de graphite dans le bain de fusion, ce qui provoque de la porosité.
• Passes multiples : si plusieurs passes sont nécessaires, laissez chaque passe refroidir jusqu’à ce qu’elle soit tiède avant de passer à la suivante.
• Utilisez des barres d’appui : Pour améliorer la stabilité et la répartition de la chaleur, en particulier sur les sections minces.

Applications du soudage de la fonte à l’acier

Le soudage de la fonte à l’acier est courant dans les cas suivants :

• Réparation de blocs moteurs et de collecteurs nécessitant des composants en acier tels que des supports ou des fixations.
• Modernisation de machines en fonte avec des renforts en acier.
• Fabrication de structures mixtes dans les équipements lourds et la construction.
• Restauration de machines anciennes lorsque les pièces d’origine en fonte ne sont plus disponibles.