Soudure des diverses fontes

Il existe différentes variétés de fonte qui sont: la fonte grise (gray cast iron), la fonte blanche (white or chilled cast iron), la fonte malléable (malléable iron), l'acier mécanique (semisteel) et l'acier coulé (steel castings).

Comme, pour la soudure, ces différentes sortes de fonte exigent des procédés différents, il importe avant tout de savoir les identifier avec certitude. L'identification se fait au moyen de la meule ou au ciseau à froid.

La figure 188 montre comment on peut identifier les métaux par l'étincelle qu'ils émettent au contact d'une meule d'émeri. Cette figure ne donne pas les caractéristiques de l'acier mécanique, mais ses étincelles présentent à peu près les mêmes caractéristiques que celles de la fonte malléable.

Fig. 188.— Caractéristiques des étincelles émises par divers métaux sur la meule.

Afin d'identifier ces métaux au moyen du ciseau à froid, on en fait partir une petite lisière.

La fonte d'acier à basse teneur en carbone se burine facilement et produit une rognure qui s'enroule avant de se rompre.

La fonte grise donne une rognure courte, qui se sépare de la masse à chaque coup de ciseau.

La fonte blanche est très dure et ne peut être burinée à l'aide d'un ciseau à froid.

Les rognures de la fonte malléable sont extérieurement semblables à celles de l'acier, mais elles s'effritent comme celles de la fonte grise.

Enfin, les rognures de l'acier mécanique se forment et se rompent comme celles de la fonte malléable; seul un léger enroulement les en distinguent.

SOUDAGE DE LA FONTE GRISE PAR FUSION

La fonte grise contient de 90 à 94% de fer métallique, combiné avec du carbone, du manganèse, du phosphore, du soufre et du silicium en proportions variables. On rencontre parfois une variété de cette fonte qui contient en outre 1 1/2% de nickel et 1/2% de chrome. La proportion de carbone que contient la fonte grise varie habituellement de 3 à 4%, dont 1/4 à 3/4% sont combinés avec le métal, alors que le reste s'y rencontre sous la forme de paillettes de graphite. Plus est forte la proportion de graphite, plus foncée est la couleur de la fonte.

La fonte grise est un métal tendre, friable et qui s'usine facilement à cause de la proportion de carbone qu'il contient.

Lorsque la fonte est soumise à la fusion, tout le carbone qu'elle contient se dissout et se combine avec le fer; en refroidissant le carbone se sépare pour former des paillettes de graphite dans une proportion qui varie avec la vitesse de refroidissement du métal. Une fonte qui a refroidi lentement contient moins de carbone.

On utilise la fonte grise pour fabriquer des pièces qui requièrent une bonne résistance à l'usure en même temps que de la rigidité. Sa résistance à la tension est de 20,000 à 24,000 lbs au pouce carré selon qu'il s'agit de pièces minces ou épaisses. Les fontes contenant du nickel et du chrome offrent même une tension minimum de 35,000 lbs au pouce carré.

La fonte grise fond à des températures allant de 2,200° à 2,400° F. Son coefficient d'expansion est de 0.006 pouce par pied pour chaque 100° F., cependant que le retrait linéaire du métal fondu est de 1/16" par pied pour les grosses pièces et de 1/32" pour les pièces minces.

On estime que la fonte grise est, de toutes les fontes, la plus facile à souder au chalumeau. Lorsqu'elle a été exécutée avec soin, la soudure présente un grain fin, est tendre et s'usine avec facilité; en outre, elle offre habituellement une plus grande résistance que le métal environnant.

Les plus grandes difficultés que l'on éprouve en soudant la fonte au chalumeau consistent à prévenir les durillons (hard spots), ainsi qu'à dominer les forces qui occasionnent l'expansion et le retrait du métal.

Ces forces ont tendance à provoquer la distorsion du métal qui, souvent, se fissure en d'autres points.

Les durillons (hard spots) peuvent être évités par l'emploi d'une tige d'apport et d'un décapant de toute première qualité, puis en manipulant comme il faut le chalumeau et la tige d'apport, enfin en laissant la fonte se refroidir avec lenteur une fois la soudure terminée.

N'importe quel bon décapant commercial pour la fonte peut servir. On l'utilise en y trempant l'extrémité chaude de la baguette d'apport, ce qui suffit à faire flotter les impuretés et les oxydes à la surface de la soudure.

Pour ce qui est de la technique à prendre concernant la manipulation du chalumeau et de la baguette d'apport, elle diffère quelque peu de celle qui a été donnée pour le soudage de l'acier et des autres métaux.

L'extrémité de la baguette doit être portée au rouge avant qu'elle puisse être plongée dans le bain de fusion. Cette précaution est nécessaire afin que le froid de la tige n'occasionne pas une certaine trempe de la fonte.

Lorsque l'on ajoute du métal d'apport à la soudure il faut continuellement remuer le bain de fusion à l'aide de la baguette d'apport afin de faire flotter les oxydes et les impuretés et d'empêcher ainsi la formation des soufflures (blowholes) dans le joint après solidification.

Chaque fois que la baguette d'apport est retirée de la soudure, il faut la plonger dans le décapant en poudre avant de l'introduire à nouveau dans le bain de fusion.

La flamme du chalumeau sera maintenue au neutre et le soudeur emploiera un bec assez gros pour assurer la fonte facile des deux bords à souder. On emploiera de préférence la méthode d'arrière (backhand method) qui permet de mieux contrôler le bain de fusion et la pénétration de la flamme.

Avant de procéder au soudage proprement dit d'une pièce de fonte grise, il faudra voir à bien nettoyer la cassure afin d'en faire disparaître la rouille, le tartre, les pochettes de sable et autres impuretés. On fera disparaître de la surface les traces de graisse et d'huile à l'aide d'un chiffon imprégné de gazoline, mais il ne sera guère possible d'éliminer la rouille et le tartre (les écailles) qu'à l'aide d'un décapage au jet de sable (sandblasting) ou en faisant usage d'une meule.

Si la fonte a plus de 1/8" d'épaisseur, il faudra chanfreiner les bords de la même manière que pour l'acier. Les fissures ou fêlures courbes, qui ne peuvent être chanfreinées à la meule, sont généralement burinées à l'aide d'un ciseau ou d'un bédane à pointe de dia-ment. On peut aussi avoir recours à une petite meule montée sur un arbre flexible.

Lorsque la pièce a été cassée en plusieurs morceaux, il sera prudent de laisser deux ou trois points non chanfreinés le long des cassures afin de mieux permettre l'alignement de l'ensemble. Une fois que le reste a été soudé, les sections non chanfreinées sont chauffées et chanfreinées è l'aide de la baguette d'apport, puis remplies avec du métal neuf.

Il faut toujours appliquer un chauffage préalable aux pièces de fonte si l'on veut éviter les efforts de tension de même que la formation de durillons dans le cordon de soudure. Dans le cas des consoles ou barres de fonte où une seule soudure doit être effectuée, seules les extrémités, tout près de la cassure, auront besoin d'un chauffage préalable. Ce chauffage est accompli, d'ordinaire, à l'aide du chalumeau; les extrémités sont portées au rouge sur une longueur de 1 à 2" de chaque côté du joint.

Cependant, lorsqu'on a affaire à des pièces en deux sections ou plus il faut procéder comme le montrent les différents croquis de notre figure 189. Il est important d'appliquer un chauffage préalable aux points indiqués afin de porter l'expansion de ces sections à une distance égale à l'expansion que prendra la section soudée afin d'atténuer ou de neutraliser les efforts de tension.

Fig. 189— Procédés qui aident à neutraliser les efforts de tensions sur les pièces de fonte soudée. L'expansion doit atteindre 1/32" dans chaque cas.

Les points indiqués pour l'application du chauffage préalable doivent être portés au rouge vif avant de commencer la soudure et on les maintiendra chauds tant que le joint n'aura pas été complètement terminé.

Si l'on a affaire à souder des pièces circulaires où existe un noyau (core) ou qui sont autrement creuses — par exemple les blocs de cylindres, boîtiers d'engrenages, etc. — il faut recourir à un four temporaire pour obtenir un chauffage préalable uniforme de la pièce avant de procéder à la soudure.

Le chauffage de ce four est obtenu à l'aide d'une lampe à souder ou du charbon de bois (charcoal). Si l'on utilise ce dernier, il faudra laisser plusieurs ouvertures à la partie inférieure du four afin de favoriser le tirage.

Ces ouvertures ont la dimension d'une brique.

Une brique libre est laissée tout près afin de s'en servir pour contrôler la chaleur en augmentant ou diminuant la grandeur de l'ouverture selon le besoin.

La pièce à réchauffer est entièrement couverte de charbon de bois et celui-ci est allumé aux ouvertures. Il faut prendre soin de contrôler le feu pour qu'il ne brûle pas trop rapidement, car une chaleur qui s'accroît lentement est essentielle pour assurer une expansion uniforme de la pièce.

La température à obtenir pour une pièce du genre d'un bloc de cylindre est environ 1,200° F. (rouge cerise médium). Une fois cette température atteinte, on ferme les ouvertures de tirage et on enlève le charbon d'autour de la pièce.

Il faut alors s'arranger pour que la soudure puisse être effectuée sans trop exposer la pièce aux courants d'air, ce qui s'obtient à l'aide de feuilles d'amiante. La pièce entière en est complètement entourée, sauf à l'endroit de la soudure. Dès que la soudure a été terminée, la pièce est de nouveau recouverte de charcoal.

Le feu est alors rallumé et doit brûler jusqu'à ce que la chaleur atteinte auparavant ait de nouveau été atteinte.

Les ouvertures de tirage sont alors fermées et on laisse la pièce refroidir d'elle-même.

Il faut veiller, dans les opérations de chauffage préalable, à ce que la chaleur se répande partout uniformément. Le contrôle du tirage au moyen des ouvertures contribue à ce résultat.

Si l'on a recours à une lampe à souder, il faut nécessairement fermer le feu pendant la soudure, mais il sera parfois nécessaire d'arrêter celle-ci afin de porter de nouveau la pièce à la température voulue. Il est bien important, répétons-le, d'empêcher tout courant d'air d'atteindre celle-ci. La figure 190 fait voir un four temporaire chauffé au moyen d'une lampe à essence.

Fig. 190.— Construction d'un four en briques réfractaires, chauffé à gazoline, servant au chauffage préalable d'une pièce de fonte à souder.

Le même type de four peut servir pour le chauffage préalable au charcoal à condition d'y laisser un plus grand nombre d'ouvertures de tirage à la base et de construire un mur simple. L'important, c'est que la pièce puisse être uniformément chauffée et qu'elle puisse refroidir graduellement de partout.

SOUDO-BRASURE DE LA FONTE GRISE

On préfère généralement la soudure au bronze (soudo-brasure) à la soudure par fusion lorsqu'il s'agit de joindre des pièces de fonte grise.

L'avantage qu'assure la soudo-brasure c'est qu'elle exige une température beaucoup moins élevée, éliminant les longues opérations de chauffage préalable et, partant, les dangers de tensions internes.

Dans bien des cas, la soudo-brasure peut être effectuée sans même avoir à démonter les pièces, ce qui, on en conviendra, représente un avantage considérable.

On ne peut toutefois se permettre de souder au bronze les pièces qui seront appelées à subir de hautes températures, car la soudo-brasure perd une grande partie de sa résistance lorsqu'elle est chauffée à plus de 1,000° F.

Les baguettes d'apport pour la soudo-brasure de la fonte se vendent sous différents noms: Tobin Bronze, Roman Bronze, Manganèse Bronze et Purox. Leurs diamètres varient de 1/16 à 1/8, 3/16 et 1/4". Ces baguettes d'apport fondent à 1,625° F. et s'étendent bien dans le joint.

Fig. 191.— a) Joint en V évasé, dit "Shear-V joint", pour la soudo brasure de la fonte; b) joint en U.

Avant de souder au bronze une section de fonte, il importe d'en bien nettoyer la surface de toute rouille et d'en enlever les écailles, la graisse et l'huile.

Le joint doit être chanfreiné de la manière que fait voir notre figure 191-A; c'est ce qu'on appelle un «shear-V joint». Le joint en U (fig. 191-B) est moins résistant, mais il est employé avec avantage dans la réparation des fissures de chemises d'eau et autres contenants de liquides.

Une fois que les bords à souder ont été nettoyés et chanfreinés, on en passe les surfaces au jet de sable et on les cautérise à l'aide d'une flamme légèrement oxydante du chalumeau. Cette cautérisation a pour but de combiner le carbone libre avec l'oxygène de la flamme afin que le fer mis à nu puisse assurer un lien meilleur avec le bronze. On évitera, au cours de cette opération, de porter la fonte à une température plus élevée que le bleu ou rouge très sombre.

Les bords à souder étant nettoyés et cautérisés, on les «mouille» d'une mince couche de décapant dissout dans l'eau tiède. Un mélange de 3 parties d'acide borique avec 1 partie de borax forme un décapant approprié.

Les décapants du commerce, entre autres le «A-malgam Cast Iron Bronze Welding Flux» sont fortement recommandés. On applique le décapant au cours de l'opération de soudage, soit en trempant la baguette d'apport chauffée dans la poudre sèche ou en appliquant au pinceau une pâte de cette dernière sur la baguette avant de commencer à souder.

Il arrive qu'il faille chauffer une pièce de fonte préalablement à l'application de la soudo-brasure afin de prévenir la dilatation et le retrait.

Les pièces creuses et autres doivent être préalablement chauffées à environ 800° F.

On peut déterminer le moment où cette température est atteinte en touchant la pièce avec une brindille de pin qui se carbonisera instantanément autour de 800° F.

Il convient d'apporter une grande application si l'on veut que le bronze adhère parfaitement à la fonte dans la soudo-brasure. Si le métal est porté à une température trop élevée, le bronze se ramassera en gouttelettes et ne «mouillera» pas la fonte.

Par ailleurs, si cette dernière n'est pas assez chaude au moment où le bronze y sera appliqué, la soudure refusera de s'étendre et d'adhérer aux bords à souder. La flamme du chalumeau doit être légèrement oxydante pour effectuer la soudo-brasure de la fonte de manière à porter rapidement le métal au rouge vif au point où la soudure doit commencer.

La raison de ceci est qu'une flamme oxydante brûle à mesure les paillettes de graphite qui se présentent à la surface du métal et qui empêchent le bronze d'y adhérer. Après qu'on a appliqué une première couche de bronze afin d'étamer — ou mieux de «mouiller» — les bords à souder, on peut ramener la flamme au neutre afin de prévenir l'oxydation du bronze d'apport, mais lorsque la soudure n'exige qu'une passe de bronze la flamme doit rester légèrement oxydante pendant toute la durée de l'opération.

Au départ, la flamme sera appliquée un peu à l'arrière du joint afin de porter la région à souder au rouge vif. Dès que le bronze d'apport pénètre dans le joint, il est censé s'étendre rapidement et «mouiller» la partie préalablement chauffée si l'on a employé le décapant qui convient.

Après cette première opération de «mouillage», on peut faire le nombre de passes requis pour obtenir l'épaisseur voulue de soudure. Si la fonte devient trop chaude et empêche ainsi le bronze d'adhérer, on peut continuer à souder à un autre point en attendant que le métal refroidisse.

En soudant une fissure qui aboutit à un orifice, le cordon de soudure doit se diriger vers ce point. Dans les fentes longues traversant une surface plane, la soudure doit partir des bords et se diriger vers le centre, tandis que pour réparer les fissures branchées on procède depuis les extrémités vers la fissure principale. Il est recommandé de forer un trou de 1/4" ou 3/16" à l'extrémité des fissures ou des cassures afin de permettre aux tensions internes de s'y amortir.

Il est important de laisser refroidir lentement les soudo-brasures afin d'empêcher les efforts de tension de déformer ou même de fêler la fonte grise où elles sont faites.

SOUDURE DE LA FONTE MALLÉABLE

Nous avons vu comment on pouvait reconnaître la fonte malléable, soit au meulage, soit au moyen du burinage.

Ce métal ne peut être soudé par la fusion à moins qu'il ne puisse subséquemment être traité à chaud. Conséquemment, la fonte malléable ne se soude guère qu'au bronze. Cette méthode ne détruit pas les effets du traitement à chaud et produit un joint tout aussi résistant que le reste de la pièce.

On commence par nettoyer les bords à souder jusqu'à ce qu'ils deviennent brillants, puis on les chanfreine à 45° en laissant un épaulement de 1/16" ou moins au fond du V. Les pièces coulées très épaisses doivent être chanfreinées des deux côtés lorsque possible.

Comme baguette d'apport, on utilise généralement celles de S/16", en bronze, qui répondent bien à la moyenne des opérations. Le décapant est le même et s'applique de la même manière que pour la soudo-brasure de la fonte grise.

En effectuant la soudure, les bords du V sont d'abord étamés ou «mouillés» et l'on procède ensuite à l'application d'autant de passes de soudure que nécessaire pour former un cordon qui déborde de 1/8" au-dessus de la surface soudée.

Une fois que la soudure est terminée, on laisse la pièce se refroidir graduellement; un refroidissement trop rapide rendrait le métal friable autour du joint.

SOUDURE DE L'ACIER MÉCANIQUE

L'acier mécanique (semisteel) se soude soit par fusion, soit par le moyen de la soudo-brasure, cette dernière étant préférable du fait qu'elle laisse la structure du métal intacte tout en fournissant un joint dont la résistance est au moins égale à celle du reste de la pièce.

Les baguettes d'apport et décapants antérieurement recommandés pour la fonte grise répondent aux exigences de cette soudure. De même, les opérations de chauffage préalable et de soudure proprement dite sont les mêmes que pour le soudage de la fonte grise.

S'il faut souder ces pièces d'acier mécanique par fusion, on devra aussi utiliser comme baguette d'apport l'équivalent de ce qui a été recommandé pour la fonte grise et il faudra procéder à la soudure tout comme pour cette variété de fonte. La soudure par fusion n'est cependant pas recommandée là où l'on attend du joint soudé la pleine résistance du métal.

SOUDURE DE L'ACIER COULÉ

L'acier coulé (steel casting) se rapproche beaucoup, par sa composition, des aciers que l'on obtient en barres, feuilles, plaques, etc.

La technique à employer pour la soudure dépend donc, dans une large mesure, de la composition du métal et de la nature de la pièce elle-même.

Les pièces coulées d'acier ordinaire au carbone se soudent par la fusion comme il a été précédemment expliqué pour les feuilles. Un joint plus solide et plus rapide est cependant obtenu par la soudo-brasure du fait qu'il n'existe dans l'acier aucune paillette de graphite susceptible d'empêcher la pénétration du bronze dans les pores du métal.

Les pièces coulées d'acier au manganèse présentent un problème différent. Ce métal est très faible aux températures élevées et on doit lui fournir un support au cours de l'opération de soudure. Il faut, si possible, s'abstenir du chauffage préalable et postérieur à la soudure et procéder en employant des baguettes d'apport d'une composition identique à celle de la pièce à réparer.

C'est au rechargement des surfaces usées de pièces d'acier au manganèse que la soudure par fusion est principalement appliquée. A cette fin, on commence par nettoyer soigneusement les surfaces.

La pièce à recharger est ensuite partiellement submergée dans l'eau froide afin de la tenir refroidie aux points que la soudure n'atteindra pas.

La flamme du chalumeau est alimentée avec un léger excès d'acétylène et, une fois que la fusion est commencée, la pointe de la baguette d'apport est maintenue dans le bain de fusion. Il ne faut appliquer qu'une très petite quantité de métal à la fois et refroidir souvent la soudure en y versant de l'eau froide.

Les bulles d'air qui se forment pendant l'opération doivent être abattues à l'aide d'un marteau. L'arrosage et le martelage améliorent la qualité des rechargements ainsi effectués du fait que l'eau trempe le métal, cependant que le martelage en fait disparaître les efforts de tension tout en rendant meilleure sa structure interne.

Une fois que la soudure est terminée, il est bon de porter toute la pièce à une température d'environ 1,250° F. pendant une demi-heure et de l'arroser ensuite à l'eau chaude.

Lorsqu'on soude ou recharge de l'acier au manganèse au chalumeau, il arrive que le métal ait tendance à bouillonner. Advenant ce cas, on préviendra le bouillonnement en enroulant en longues spirales autour de la baguette d'apport un mince fil d'aluminium qui fera pénétrer dans la soudure quelques gouttes de ce métal.