Peut-on souder de la fonte ?

La fonte n’est pas un matériau unique

Le mot « fonte » désigne une famille d’alliages fer-carbone contenant généralement davantage de carbone que les aciers. Selon sa composition et la forme sous laquelle le carbone est présent dans la microstructure, son comportement mécanique et sa soudabilité peuvent varier fortement.

La fonte grise à graphite lamellaire est très répandue dans les bâtis de machines, carters, blocs moteurs, corps de pompes et de nombreuses pièces moulées. La fonte ductile, également appelée fonte à graphite sphéroïdal ou nodulaire, possède une meilleure ductilité grâce à la forme sphérique de son graphite.

Il existe également des fontes malléables, blanches ou alliées dont la réparation peut demander des méthodes particulières. Avant d’établir une procédure, il est donc préférable de savoir précisément quel type de fonte doit être soudé.

Pourquoi la fonte est-elle plus délicate à souder que l’acier ?

La difficulté provient notamment de sa teneur élevée en carbone et de sa capacité limitée à supporter les déformations imposées par les cycles thermiques. Lorsque l’arc chauffe brutalement une petite zone, celle-ci se dilate alors que le reste de la pièce reste plus froid.

Pendant le refroidissement, le phénomène s’inverse et le métal se contracte. Les contraintes ainsi créées peuvent devenir suffisamment importantes pour provoquer une fissure dans la zone soudée, dans la zone affectée thermiquement ou parfois à une certaine distance du cordon.

Un refroidissement trop rapide peut également favoriser la formation de microstructures très dures et fragiles autour du joint. Le contrôle de la température est donc souvent aussi important que le choix du métal d’apport.

Une fissure doit être entièrement localisée avant d’être réparée

Lorsqu’une pièce en fonte est fissurée, il ne suffit pas de déposer un cordon sur la partie visible du défaut. Une fissure peut se prolonger au-delà de ce qui est observable à l’œil nu et continuer à se propager pendant la préparation ou le soudage.

Il faut donc déterminer ses véritables extrémités avant d’enlever la matière défectueuse. Selon la pièce et le type de fonte, un contrôle par ressuage ou par magnétoscopie peut aider à révéler l’étendue du défaut lorsqu’il est compatible avec la méthode utilisée.

Steelsoudeur présente ces méthodes dans les guides consacrés au contrôle par ressuage et à la magnétoscopie des soudures et pièces métalliques.

La zone à souder doit être débarrassée de toutes les contaminations

Les pièces en fonte réparées ont souvent passé plusieurs années en service. Elles peuvent être imprégnées d’huile, de graisse, de produits de corrosion ou d’autres contaminants capables de provoquer des porosités ou de perturber le métal fondu.

La peinture, la rouille, les dépôts, la peau de fonderie et les contaminants présents autour de la zone à réparer doivent donc être éliminés autant que possible avant le soudage. Une préparation par meulage permet également de revenir sur un métal sain.

Sur certains carters ou corps de machines ayant longtemps contenu de l’huile, la contamination peut avoir pénétré dans les porosités du matériau. Une pièce qui semble propre extérieurement peut alors continuer à dégazer pendant le soudage et demander une préparation plus approfondie.

La fissure doit généralement être ouverte jusqu’au métal sain

Pour réparer correctement une fissure, la zone défectueuse doit être retirée afin que le métal d’apport puisse accéder à toute la profondeur nécessaire. Une préparation en forme de gorge peut être réalisée par meulage, usinage ou avec une méthode adaptée à la pièce.

Le gougeage à l’arc demande davantage de prudence sur la fonte parce que la chaleur générée peut créer une zone affectée thermiquement dure et sensible à la fissuration. Une préparation mécanique à froid est souvent intéressante lorsqu’elle est réalisable.

Après enlèvement du défaut, la zone doit être contrôlée afin de vérifier que la fissure a réellement disparu avant de commencer le dépôt du métal d’apport.

Les électrodes au nickel sont très utilisées pour réparer la fonte

En soudage MMA, les consommables à base de nickel figurent parmi les solutions les plus courantes pour la réparation des fontes. Le nickel possède notamment l’avantage de pouvoir accepter une certaine dilution par le métal de base tout en donnant un dépôt relativement ductile et, suivant le consommable, facilement usinable.

Des électrodes à forte teneur en nickel peuvent être utilisées pour certaines réparations où l’usinabilité du dépôt est recherchée. Les consommables nickel-fer offrent généralement une résistance mécanique supérieure et sont couramment employés pour des réparations demandant davantage de résistance.

Le choix ne doit cependant pas se faire uniquement à partir du mot « fonte » inscrit sur une boîte d’électrodes. Le type de fonte, la taille de la pièce, les contraintes, l’usinage futur et les conditions de service doivent être pris en compte.

Le préchauffage permet de réduire les écarts de température dans la pièce

Le préchauffage consiste à élever progressivement la température d’une partie ou, idéalement lorsque cela est possible, de l’ensemble de la pièce avant le soudage. Son objectif est notamment de réduire l’écart thermique entre le bain de fusion, la zone affectée thermiquement et le reste de la pièce.

En réduisant ce gradient, on limite les contraintes provoquées par les dilatations et contractions très localisées. Le préchauffage ralentit également le refroidissement après le passage de l’arc, ce qui peut réduire la formation de zones excessivement dures.

La température à retenir dépend du type de fonte, de la géométrie, de l’épaisseur et de la procédure utilisée. Il n’existe donc pas une température universelle valable pour toutes les pièces. Selon TWI, les températures de préchauffage rencontrées pour différentes fontes peuvent typiquement s’étendre d’environ 100 à 400 °C.

Le préchauffage doit lui-même être progressif et aussi uniforme que possible

Chauffer brutalement un seul endroit d’une grosse pièce en fonte peut créer précisément les contraintes que l’on cherche à éviter. Les parties chaudes se dilatent tandis que les zones voisines restent froides et limitent cette dilatation.

Lorsqu’un préchauffage important est retenu, il doit donc être appliqué progressivement. Sur une pièce complexe comportant des épaisseurs très différentes, la répartition de la chaleur demande une attention particulière.

Cette maîtrise thermique est particulièrement importante sur les bâtis, carters, collecteurs ou corps de machines possédant des formes complexes et des zones de rigidité différentes.

Il existe aussi des techniques de réparation avec peu ou pas de préchauffage

Certaines réparations sont réalisées selon une méthode souvent qualifiée de soudage à froid de la fonte. Le terme ne signifie évidemment pas que le métal n’est pas chauffé par l’arc : l’objectif consiste plutôt à limiter fortement la quantité de chaleur introduite dans l’ensemble de la pièce.

Cette approche utilise généralement un faible apport thermique, des cordons très courts et des périodes d’attente permettant d’éviter une élévation excessive de la température autour de la réparation. Des consommables adaptés, notamment au nickel, peuvent être employés.

Cette méthode peut être intéressante lorsqu’une grande pièce ne peut pas être uniformément préchauffée, mais elle demande beaucoup de discipline. Déposer continuellement de longues passes sous prétexte que la pièce n’a pas été préchauffée irait exactement à l’encontre du principe recherché.

Des passes courtes permettent de mieux contrôler les contraintes

Lorsqu’une procédure à faible apport thermique est choisie, les cordons sont déposés sur de petites longueurs plutôt que sous la forme d’une longue passe continue. La zone peut ainsi refroidir entre deux dépôts avant que le soudage ne reprenne à un autre endroit.

Une séquence alternée peut également être utilisée afin de répartir la chaleur et les retraits le long de la réparation. L’objectif consiste à éviter qu’une zone restreinte accumule simultanément une forte température et une importante contrainte de contraction.

Le courant est également maintenu aussi faible que raisonnablement possible avec le diamètre d’électrode employé. En MMA, TWI recommande notamment de limiter la pénétration et l’apport thermique lorsqu’on utilise des consommables nickel pour la fonte.

Le martelage léger des cordons peut contribuer à limiter les contraintes de retrait

Dans certaines procédures de réparation, chaque petit cordon peut être légèrement martelé pendant qu’il est encore chaud. Cette opération, souvent appelée martelage ou peening, aide le métal déposé à se déformer légèrement et peut réduire une partie des contraintes créées par sa contraction au refroidissement.

Le geste doit rester contrôlé : il ne s’agit pas de frapper violemment une pièce en fonte déjà sensible à la fissuration. Le martelage n’est pas non plus une règle applicable sans discernement à tous les consommables et toutes les procédures.

Il constitue un outil supplémentaire de maîtrise des contraintes lorsqu’il fait partie de la méthode de réparation retenue.

Le refroidissement après soudage est aussi important que le préchauffage

Une réparation peut être correctement déposée puis se fissurer pendant son refroidissement si la température chute trop rapidement. Après un soudage avec préchauffage, la pièce doit généralement revenir progressivement vers la température ambiante.

Selon la procédure et les dimensions de la pièce, l’isolation thermique peut être maintenue afin de ralentir la perte de chaleur. L’objectif est d’éviter un choc thermique et de limiter les écarts de température importants entre différentes zones de la pièce.

Poser une pièce fortement chauffée dans un courant d’air froid ou chercher à accélérer son refroidissement avec de l’eau serait donc particulièrement défavorable lorsqu’un refroidissement lent est requis.

Une réparation de fonte doit être contrôlée après soudage

Une fois la pièce revenue à une température permettant son inspection, la réparation doit être examinée afin de rechercher une éventuelle fissuration apparue pendant le refroidissement. Le contrôle visuel constitue la première étape, mais il ne permet pas toujours de détecter les défauts fins débouchant en surface.

Le ressuage peut alors être particulièrement utile pour rechercher des fissures superficielles sur des matériaux compatibles. Sur certaines fontes ferromagnétiques, la magnétoscopie constitue également une possibilité.

Pour les réparations importantes, cette phase de contrôle ne doit pas être considérée comme facultative : elle permet de vérifier que le défaut initial a bien été éliminé et qu’aucune nouvelle fissure n’est apparue autour de la zone réparée.

Toutes les pièces en fonte ne méritent pas forcément d’être réparées par soudage

La possibilité technique de déposer du métal sur une fonte ne signifie pas automatiquement qu’une réparation par soudage constitue la meilleure solution. L’importance de la pièce, la nature du défaut, son état général, son coût de remplacement et les conséquences éventuelles d’une rupture doivent être considérés.

Une fissure sur un vieux carter peu sollicité ne présente pas les mêmes enjeux qu’un défaut affectant un composant mécanique de sécurité. Certaines pièces peuvent également avoir été fragilisées sur une zone beaucoup plus importante que la seule fissure visible.

Pour une réparation critique, la démarche doit donc commencer par l’analyse du défaut et du matériau avant de choisir le procédé. C’est précisément le principe développé dans le dossier Réparation par soudage de Steelsoudeur.

Quelle méthode retenir pour souder une pièce en fonte ?

Il faut d’abord identifier autant que possible le type de fonte et vérifier que la réparation par soudage est adaptée à la pièce. La fissure ou la zone endommagée est ensuite localisée précisément, débarrassée de toute contamination et préparée jusqu’au métal sain.

Le métal d’apport est choisi en fonction de la fonte et des propriétés recherchées. Pour de nombreuses réparations MMA, un consommable au nickel ou nickel-fer peut être retenu. La procédure définit ensuite si la pièce doit être préchauffée ou si une technique à faible apport thermique avec petites passes est préférable.

Enfin, la température est maîtrisée pendant toute la réparation et le refroidissement est contrôlé avant l’inspection finale. Sur la fonte, la qualité du résultat dépend donc autant de ce qui se passe avant et après le cordon que du cordon lui-même.