Brevet FR2455944A1 — publié le 19801205

La présente invention est relative au soudage d'une pièce en fonte à graphite sphéroïdal ou fonte ductile avec une autre pièce en fonte ductile ou en un autre alliage ferreux, et plus particulierement à un procédé pour souder de telles pièces par apport de chaleur et pression des pièces l'une contre l'autre, en vue de réaliser une soudure par diffusion métallique. Les fontes sont des matériaux difficilement soudables, en particulier en raison de leur inaptitude à subir les contraintes imposées par le cycle thermique de soudage, notamment les contraintes dites de bridage, c'est-à-dire celles dues au retrait lié au refroidissement du cordon de soudure solidifié et du métal avoisinant. Si l'on se limite aux fontes à graphite sphéroïdal ou fontes ductiles, cette cause d'inaptitude au soudage est diminuée. Cependant, avec les procédés connus de soudage industriellement applicables, il n'est pas possible d'empêcher une solidification partielle blanche de la fonte lors du refroidissement de la soudure: il existe après soudage un fin liséré de lédeburite fragile en bordure du cordon de soudure. Ce Liséré, qui diminue sensiblement la ténacité de la soudure, ne peut être enlevé que par un recuit à une température au moins égale à 9500C. On connaît par le brevet français n0 1 254 630 un procédé de soudage de pièces métalliques par application de chaleur et de pression pour former un joint soudé par diffusion métallique. Ce procédé, qui est envisagé pour souder des alliages de nickel-chrome-cobalt, consiste à effectuer la soudure à l'abri de l'air, sous un vide poussé ou bien en engendrant une atmosphère spéciale par action de fluorure d'ammonium sur des granules de chrome. Ce procédé est relativement compliqué et coûteux, et économiquement inacceptable dans le cas de pièces en fonte. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé économique de soudage d'une pièce en fonte ductile avec une autre pièce en alliage ferreux qui ne fasse #appel ni; au vide, ni à une atmosphère spéciale, et qui conduise directement à une soudure exempte de lédeburite et ayant une bonne résistance à la traction et un allongement à la rupture également satisfaisant. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que, tout en laissant à l'air libre les pièces chaudes à souder, on interpose entre elles, avant de les presser l'une contre l'autre, sous une mince épaisseur, au moins un produit intermédiaire choisi parmi les composés de métalloldes, les oxydes cu les sels métalliques et les métaux non ferreux, et l'on écrase ce produit intermédiaire entre les deux pièces à souder. Suivant un premier mode d'exécution, le produit intermédiaire est un flux pulvérulent à base de carbonate de sodium, éventuellement pourvu d'un insertmétallique en un métal non ferreux, notamment en nickel. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le produit intermédiaire est une boucle de cuivre qui suit le périmètre des faces à souder. En pratique, de façon avantageuse, avant et pendant l'application de la pression, on porte la région de la soudure à une température de l'ordre de 8000C à 10000C, la pression appliquée étant de l'ordre de 200 bars. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'e xemple les Fig. 1 et 2 illustrent de façon schématique la mise en oeuvre de deux variantes du procédé de soudage de l'invention de deux pièces en alliage ferreux dont l'une est en fonte ductile; les Fig. 3 à 5 sont des micrographies au grossissement 500, après attaque au "Nital" (aciae nitrique en solution dans l'alcool éthylique), de joints soudés entre deux pièces en fonte ductile ayant subi différentes conditions de chauffage; la Fig. 6 est une micrographie analogue d'un joint soudé entre une pièce en fonte ductile et une pièce en acier. Suivant l'exemple d'exécution de la Fig. 1, l'invention est appliquée au soudage de deux pièces A et B cylindriques en fonte ductile prélevées dans des barreaux de même diamètre coulés en sable et ayant la composition suivante en poids Carbone 3, 6 à 3, 8% Silicium 2, 5 à 3% Manganèse 0, 2 à 0, 3% Soufre 0,010% Phosphore 0,01 à 0,06% Magnésium 0,02 à 0,05%, le reste étant du fer. Il s'agit d'une fonte ductile ou fonte à graphite sphéroïdal de structure ferritique, d'appellation FGS 400-12 selon la norme française NF A 32 201. Le procédé de l'invention est mis en oeuvre à l'aide d'une presse d'axe X-X vertical , dont le bâti n'est pas représenté mais dont seuls figurent un plateau inférieur fixe 1 et un plateau supérieur mobile 2. La source de chaleur utilisée est ici un inducteur 3 porté par le bâti de la presse et ayant des dimensions appropriées pour envelopper de ses spires les deux pièces A et B à souder sans interférer avec les plateaux 1 et 2. L'inducteur 3 est alimenté par une source de courant électrique à haute fréquence 4 représentée symboliquement par un rectangle. Ce mode de chauffage permet d'amener à une température homogène toute la zone à souder. Avec ce dispositif, le soudage des pièces A et B s'effectue de la manière suivante. Les pièces A et B sont rectifiées sur leurs faces planes adjacentes à souder 5 et 6 respectives. Les plateaux de presse 1 et 2 sont écartés, les pièces A et B sont mises en place entre eux, à l'intérieur de l'inducteur 3, la pièce supérieure A étant soutenue, par exemple par le plateau 2, de manière à ménager un certain intervalle entre sa face 5 et la face 6 de la pièce B. Une mince couche de flux pulvérulent 7 est déposée sur toute la face 6 de la pièce inférieure B,puis la pièce supérieure A est déposée sur cette couche 7. Ce flux est par exemple à base de carbonate de sodium associé à un borate hydraté de sodium et à de la silice. L'épaisseur de la couche 7 a été très exagérée sur la Fig. 1 pour la clarté du dessin. Sans que les plateaux 1 et 2 n'exercent de pression, le générateur 4 est mis en marche pour alimenter l'inducteur 3 jusqu'a ce qu'une température homogène de l'ordre de 10000C soit atteinte dans toute la zone des faces 5 et 6 à souder. Cette température élevée est maintenue pendant quelques minutes et provoque la fusion du flux 7, qui se liquéfie. Le plateau supérieur 2 est alors rapproché du plateau inférieur 1 de manière à presser fortement les deux faces à souder 5 et 6 l'une contre l'autre. La pression appliquée est de l'ordre de 200 bars. Une partie du flux liquide 7 est expulsée par cette pression, qui est maintenue pendant quelques minutes. Cette mise sous température et sous pression des pièces A et B en présence du flux 7 s'effectue dans l'air ambiant, sans créer d'atmosphère particulière ni de vide. Lorsque quelques minutes se sont écoulées, le générateur 4 est mis à l'arrêt et la pression est relâchée en relevant le plateau 2. Puis l'ensemble des pièces A et B maintenant soudées entre elles est retiré du dispositif pour se refroidi lentement. La qualité du joint soudé est appréciée d'une part par un examen micrographique et d'autre part par un essai de traction permettant de mesurer la résistance à la rupture et l'allongement à la rupture. A la Fig. 3 est illustrée une micrographie de deux pièces A et B soudées comme décrit ci-dessus à 10000C sous une pression de 200 bars, température et pression étant maintenues pendant dix minutes, avec un flux pulvérulent 7 du commerce à base de carbonate de sodium et ayant l'analyse suivante en poids: NaHCO3: 80%; SiO2: 6%, Na2B407 , 5H20 : 142. On remarque que le graphite est maintenu sous sa forme sphéroidale pour les deux pièces A et B au voisinage du joint soudé 8, qui apparaît sous l'aspect d'un liséré horizontal. Ce liséré, parfois interrompu, est constitué par des inclusions d'éléments constitutifs du flux 7. 2 La résistance à la traction est de 38 daN/mm et l'allongement à la rupture de 2%. A titre de comparaison, si l'on ne chauffe les mêmes pièces qu'à 8000C, les autres conditions (pression, ter.ps , pièces et flux ) étant les mêmes, on obtient la micrographie de la Fig. 4 où le joint soudé 8, beaucoup moins satisfaisant, apparaît sous la forme d'un liséré presque ininterrompu présentant même des inclusions à profil anguleux. Un tel joint a une résistance à 2 la traction moins élevée qui n'est que de 32daN/mm , et son allosgement à la rupture est nul. C'est pourquoi il est très souhaitable d'utiliser une température supérieure à 9000C. Par contre, si, dans les mêmes conditions que décrites ci-dessus (chauffage à 10000C et pression de 200 bars pendant dix minutes, et même flux 7 du commerce), on fait bénéficier le groupe des pièces soudées A et B en fonte ductile d'un traitement thermique de recuit à 10000C pendant deux heures, au lieu de les laisser se refroidir lentement, on obtient,comme le montrent la micrographie de la Fig. 5 et les valeurs numériques ci-après, des résul tas encore meilleurs qu'à la Fig. 4 : le liséré 8 a presque disparu, une grande part des éléments constitutifs des inclusions étant entrée en solution dans la matrice; cette élimination partielle des inclusions a permis une migration des joints de grains de part et d'autre du plan de joint & a résistance à la traction est de 43daN/mm2 et l'allongem nt à la rupture de 9,5%. C'est donc dans ce dernier exemple que la diffusion métallique a été la meilleure. De façon générale, les essais de la Demanderesse ont montré que la résistance à la traction du joint soudé s'accroit sensiblement entre 800 et 10000C ainsi qu'entre des temps de traitement et de maintien d'une pression de 20Q bars de cinq à dix minutes. Au-delà de dix minutes, aucune amélioration n'est obtenue. Il en est de même pour l'allongement à la rupture. Dans la variante de la Fig. 2, on dispose en plus du flux intermédiaire 7 entre les faces 5 et 6 à souder des pièces A et B en fonte ductile, avant d'appliquer la pression, un insert métallique 9,par exemple en nickel ou en cuivre. Cet insert peut être sous différentes formes: feuillard mince, poudre, revêtement métallisé. Dans l'e- xemple de la Fig. 2 c'est le feuillard qui a été choisi, car c'est lui qui donne les meilleurs résultats. L'interposition entre les pièces à souder A et B d'un insert métallique 9 peut faciliter considérablement la soudure si le coefficient d'interdiffusion de cet élément et du fer du matériau de base des pièces A et B est plus élevé que le coefficient d'auto-diffusion du fer. Dans cet exemple, on utilise un feuillard de nickel de 30 microns d'épaisseur, enrobé du flux pulvérulent précité sur chacune de ses faces. La qualité de la soudure des pièces A et B en fonte ductile a été notablement améliorée : des résistances à la traction dépassant 40daN/mm2 et des allongements à la rupture importants ont été obtenus, la rupture s'étant même parfois produite en dehors du joint soudé ou plan de soudure 8. Dans une autre variante, non illustrée au dessin, on a interposé entre les faces 5 et 6 à souder une boucle de fil de cuivre très fin (0,06 mm de diamètre), sans utiliser de flux; la boucle de fil de cuivre, qui suivait le périmètre des faces 5 et 6, faisait office de garniture d'étanchéité protégeant de l'oxygène de l'air les surfaces à souder, situées à l'intérieur de la boucle. En chauffant les deux pièces A et B à 9000C sous 200 bars, pendant dix 2 minutes, on a obtenu une résistance de 45daN/mm2 et un allongement à la rupture de 4,2%. Dans une autre application de l'invention, une soudure a été réalisée à l'aide du même dispositif que précédemment (Fig. 1 et 2) entre une pièce A en fonte ductile et une pièce B en acier doux du type XC10 (appellation conforme à la norme française NF A 35551). On a utilisé le même flux 7 que dans le premier exemple. Avec une température de soudure limitée à 8000C et une pression de 200 bars maintenue pendant dix minutes, on a obtenu une résistance à la rupture de plus de 40daN/mm2 et un allongement à la rupture pouvant aller jusqu'à 10%. Après refroidissement du joint soudé, la diffusion du carbone de la fonte est mise en évidence par l'existence d'un liséré entièrement perlitique dans l'acier. Si en outre le groupe des pièces A et B soudées bénéficie d'un recuit à 10000C, le plan de joint n'est plus marqué que par de très petites inclusions éparses. La matrice ferritique de la fonte se prolonge parfois localement au-delà du joint, qui est aisément traversé par les joints de grains ferritiques. La micrographie de la Fig. 6, effectuée sans attaque du joint par du wNital", montre un autre exemple de joint soudé entre deux pièces A en fonte ductile et B en acier doux. La soudure a été effectuée avec interposition d'un insert métallique 9 sous forme d'un feuillard de nickel et du flux 7 précité, sous une température de 10000C et une pression de 200 bars pendant #dix minutes. La résistance à la traction du joint soudé est de 43daN/mm2 et l'allongement à la rupture de 23,7%. Cette juxtaposition de deux pièces de métaux dif férents permet une élimination plus facile des impuretés du joint grâce à l'interdif fusion des atomes. Le joint soudé est tout à fait satisfaisant. En outre, la présence de nickel n'entrave pas totalement la diffusion du carbone, puisqu'il existe dans l'acier, après soudure à 10000C pendant dix minutes, une zone perlitique de 50 à 200 microns d'épaisseur. Ainsi, que la pièce B soit en fonte ductile ou en acier, l'utilisation du feuillard de nickel 9 apparaît comme un moyen commode pour améliorer la qualité des soudures à condition d'utiliser également un flux 7 pulvérulent à base de carbonate de sodium. Toutefois, en l'absence d'un tel flux pulvérulent à base de NaHCO3,l'utilisation comme insert métallique d'une boucle de cuivre fermant le périmètre des faces 5 et 6 à souder, de manière à empêcher l'arrivée de l'air au contact des pièces chaudes, donne également des qualités de soudure satisfaisantes, tant en résistance à la traction qu'en allongement à la rupture. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de soudage d'une pièce en fonte ductile avec une autre pièce en alliage ferreux par apport de chaleur et pression des pièces l'une contre l'autre, caractérisé en ce que, tout en laissant à l'air libre les pièces chaudes à souder, on interpose entre elles, avant de les presser l'une contre l'autre, sous une pince épaisseur, au moins un produit intermédiaire choisi parmi les composés de métalloides, les oxydes ou les sels métalliques et les métaux non ferreux, et l'on écrase ce produit intermédiaire entre les deux pièces à souder. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le produit intermédiaire est un flux pulvérulent à base de carbonate de sodium. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le flux est constitué de 80% en poids de NaHCO3, de 14% en poids de Na2B407, 5H2O et de 6% en poids de SiO2. 4,- Procédé suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le flux pulvérulent est pourvu d'un insert métallique en un métal non ferreux. 5.- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'insert métallique est en nickel. 6.- Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'insert métallique est en feuillard de nickel, une couche de flux pulvérulent étant interposée entre ce feuillard et chacune des pièces à souder. 7.- Procédé suivant la revendication l, caractérisé en ce que le produit intermédiaire est une boucle de cuivre qui suit le périmètre des faces à souder. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, avant et pendant l'application de la pression, on porte la région de la soudure à une température de l'ordre de 8000C à 10000C, la pression appliquée étant de l'ordre de 200 bars. 9.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on effectue ensuite un traitement de recuit de la région de la soudure.