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Jusqu'à présent, on ne considérait pas comme possible la soudu- re d'une fonte dans une machine à souder électriquement par rapprochement.
On ne peut en conclure que les expériences que l'on a effectuées dans ce domaine ont donné des produits n'ayant pas présenté des caractéristiques de résistance telles que ces produits puissent offrir un intérêt quelcon- que pour l'industrie.
Pourtant, certains essais ont montré qu'on peut obtenir un pro- duit soudé satisfaisant en exécutant la soudure conformément au procédé que l'on va décrire ci-dessous, à condition que la fonte utilisée ait des te- neurs en carbone, silicium et phosphore comprises entre les limites indi- quées également ci-dessous.
Lorsqu'on veut réussir la soudure d'une fonte dans une machine à souder électriquement par rapprochement ou avec arc, on doit connaître les caractéristiques générales de la fonte, ses composants les plus impor- tants et-l'influence de ces composants sur les valeurs de la résistance de la fonte. C' est la raison pour laquelle on va faire ci-après l'exposé des conditions affectant directement la soudure d'une fonte.
1 -Pourcentage de carbone.
On sait que le mot carbone est utilisé pour les alliages de fer et de carbone dont la teneur en carbone dépasse 1,7 %. Une fonte dont la teneur en carbone est comprise entre 1,7 et 4,2 % est appelée hypoeutecti- que et si sa teneur en carbone dépasse 4,2 % elle est appelée hypereutecti- que. Un alliage dont le pourcentage en carbone s'élève à 4,2 % est appelé eutectique; c'est l'alliage de fer et de carbone qui présente le point de fusion le plus bas (1139 C). Il est composé de cristaux uniformes et fond à une température constante comme un métal chimiquement pur.
On n'utilise toutefois, dans les applications techniques, que de la fonte hypoeutectique, dite fonte grise. Il arrive rarement qu'on trouve dans la pratique une fonte d'une teneur en carbone supérieure à 4,2 %. La fonte hypereutectique présente une grande quantité de graphite séparé de la fusion et sa structure cristalline est tellement grossière qu'on peut la fendre avec la pointe d'un couteau. Une telle fonte offre de mauvaises caractéristiques de résistance.
Mais, du point de vue d'une application technique, la faibles- se du pourcentage de carbone dans une fonte présente également des incon- vénients. En effet, si la résistance de la fonte augmenté bien lorsque sa teneur en carbone diminue, le degré auquel cette variation se produit est limité pour les raisons suivantes : a) les contraintes présentes dans la fonte augmentent lorsque le pourcentage de carbone s'abaisse; b) la fonte devient plus dure, donc moins facile à usiner; c) la fonte devient plus rapidement visqueuse, sa fusion de- vant s'effectuer à une température supérieure; d) il se produit une plus grande retassure en moule.
Pour que son usinage soit le plus facile possible, la fonte doit présenter un pourcentage de carbone compris entre 2,9 et 3,5 %.
Une fonte ayant une teneur en carbone plus voisine de l'eutectique, bien que sa coulabilité soit bonne, que son usinage soit facile et qu'elle ait moins de retassure, offre une surface de cassure à cristaux grossiers et présente des caractéristiques de résistance inférieures.
La fonte contient, à l'état solide, du carbone libre (graphite) et un composé chimique de carbone et de fer, à savoir le carbure de fer Fe3C, dont le nom metallographique est la cémentite. Le f er à l'état fon- du peut absorber plus de carbone qu'il ne peut en retenir pendant sa soli- dification, et c'est pour cette raison que le carbone libre, dans certaines
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conditior'-'. se sépare sous forme de graphite. D'ordinaire, le graphite précipité si la fonte contient au moins 2,5 C, et cela d'autant plus fa- cilement que la fonte contient une teneur plus forte en silicium. En l' absence complète de silicium, il n'y a pas de précipitation de graphite.
Lorsqu'on augmente le pourcentage de graphite, caractéristiques de résistance de la fonte sont réduites dans une certaine proportion. La résistance à la flexion et la résistance à la traction de la fonte décroissent 1'une et l'autre lorsque la proportion de graphite rapportée au carbone combiné augmente, ceci quel que soit le pourcentage de silicium. Par lui-même, le silicium a une très faible influence sur la résistance de la fonte; aussi la variation de cette caractéristique doit-elle être imputée à l'influence de la teneur en graphite. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, le silicium agit sur la séparation du graphite. Plus le pourcentage de silicium est élevé, plus la précipitation de carbone sous forme de graphite est importante.
Indépendamment du facteur indiqué ci-dessus, il en existe encore un autre ayant une grande influence sur la précipitation du graphite, c'est la vitesse de refroidissement de la fusion.. Plus lentement un alliage fer-carbone contenant du silicium se solidifie, plus grande est la quantité de graphite qui précipite. Le mode de formation du graphite dans la lonte influence de la manière suivante la résistance de cette dernière, Toutes autres conditions restant inchangées, une fonte à graphite finement divisée offre une résistance substantiellement plus grande qu'une fonte ayant des paillettes grossières de graphite.
Si deux pièces de fonte contiennent du graphite en même quantité et avec une même distribution, celle des deux pièces dont la structure est purement perlitique offre des carac- téristiques de résistance meilleures que celle dont la structure est ferritique ou perlitique-ferritique. En règle générale, on peut dire que la résistance à la traction d'une fonte augmente en même temps que sa structure devient plus perlitique. Lorsque la structure devient cent pour cent perlitique, on ne peut plus augmenter la résistance de la fonte qu'en réalisant une division plus fine du graphite.
2 - Phophore,
Lorsque la teneur en phosphore augmente, la résistance de la fonte commence par augmenter, mais au-delà de 0,5 % P toute augmentation du pourcentage entraîne une diminution de la résistance. Lorsque le pourcentage de phosphore atteint 1,5 % la résistance au choc peut se trouver réduite de 50 à 60 %. A l'état fondu, une addition de phosphore rend la fonte très fluide, tandis qu'à l'état solide la fonte devient plus fragile.
Comme la fragilité augmente aveu la teneur en carbone combiné, une fonte riche en graphite est susceptible de recevoir une plus grande quantité de phos- phore,
Après ce préambule concernant.! les.caractéristiques les plus importantes de la fonte, on donnera ci-dessous un exposé sur la soudure de la fonte dans une machine à souder électriquement par rapprochement.
Sur le dessin, la figure 1 montre schématiquement un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention, et la figure 2 représente un diagramme fer-carbone où sont indiquées les limites entre lesquelles doit être maintenu le pourcentage de carbone.
La soudure électrique par résistance constitue une soudure par pression, c'est-à-dire que les pièces de fonte, chauffées suffisamment pour devenir pâteuses, quelquefois fluides, sont soudées ensemble sous forte pression sans addition d'aucun matériau supplémentaire. Or. se sert dans ce cas, comme source de chaleur, d'un courant électrique provenant d'un transformateur T dont le secondaire fournit un courant alternatif de faible voltage,. par exemple de 7 à 15 Volts, à très forte intensité; ce courant traverse les pièces à souder et, par suite de la résistance intérieure de ces dernières et de la résistance offerte par les surfaces du joint, c'est- à-dire les zones de soudure, échauffe les pièces jusqu'à leur point de ra-
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mollissement ou de fusion.
La figure 1 montre les électrodes E en cuivre, les pièces à souder A et l'intervalle a séparant le point de serrage et le point de soudure.
Tous les matériaux susceptibles d'être soudés à l'état pâteux peuvent être soudés par soudure électrique par résistance. On peut citer, par exemple, presque tous les types d'acier, l'acier moulé, certains types de moulage, l'aluminium et ses alliages, le cuivre et ses alliages, le ni- ckel, le tungstène, le cobalt, le tantale, l'argent, l'or, le platine, etc...
Jusqu'à présent, on considérait que la fonte ne pouvait pas être soudée par résistance. Le dispositif employé pour exécuter la soudure d'une fonte se- lon l'invention est représenté dans ses lignes fondamentales sur la figure
1.
Après avoir effectué un grand nombre d'essais, on a constaté' que l'on peut souder la fonte par résistance lorsque certaines conditions sont réalisées., la pièce soudée obtenue ayant une bonne caractéristique 'de résistance; par exemple, la soudure de tubes moulés par centrifugation permet d'obtenir une résistance à la traction comprise entre 20 et 26,7 kg/mm2 et une étanchéité absolue pour une pression d'eau intérieure de 200 at.
La résistance à la flexion est comprise entre 33 et 45 kg/mm2.
Si l'on suppose qu'il est possible d'utiliser techniquement la fonte dans un domaine dont les limites dépendent de sa teneur en carbone, on peut partir de cette hypothèse pour expliquer les bons résultats obtenus à la soudure.
On a indiqué ce domaine, compris entre 2,7 et 3,6 % C environ, sur le diagramme fer-carbone de la figure 2 et l'on peut voir que deux pièces en fonte qu'on veut souder ensemble et qui ne présentent pas des teneurs égales en carbone, par exemple l'une contenant 2,8 % de carbone et l'autre 3,5 %. n'atteignent pas le même état de fusion. La pièce contenant 2,8 % C doit être chauffée à 1295 C alors qu'il suffit de chauffer à 1215 C seulement la pièce contenant 3,5 % C pour que tous les cristaux soient fondus, Lorsqu'on ne connaît pas la composition de ces pièces avant la soudure, il peut en résulter que des cristaux non fondus soient présents sur une surface de joint et que par suite les pièces ne se fusionnent pas complètement.
Ce résultat est mis en évidence lorsqu'on soumet les pièces soudées à des essais de résistance à la traction et lorsqu'on examine aux rayons X le cordon de soudure. On s'aperçoit en effet que la soudure n'est pas continue et qu'il existe de petites surfaces où la soudure ne s'est pas produite.
D'autre part, la fonte à l'état ramolli ou fondu est susceptible de se combiner chimiquement avec l'oxygène de l'air et de former ainsi des oxydes de fer qui, emprisonnés dans un joint soudé, présentent l'inconvénient de réduire la résistance, en particulier vis-à-vis des déformations dynamiques. Pour empêcher ce processus d'oxydation ou pour réduire autant que possible l'influence des oxydes déjà formés, on soude la fonte par résistance selon le procédé avec décapage, dans lequel il se forme une atmosphère protectrice qui empêche à son tour la progression de l'oxydation. Selon ce procédé, après avoir chauffé les pièces à la température voulue, on les décape à une profondeur de quelques millimètres (en tenant compte des dimensions de la zone de soudure), puis on les serre ensemble sous forte pression.
Pendant le serrage, les derniers restes d'oxydes qui peuvent avoir subsisté sont expulsés de la zone de soudure.
Un certain nombre d'essais ont montré que les inclusions d'oxy des dépendent directement de la pression de serrage. Lorsque la pression est de 2,5 kg/mm2 sur la zone de soudure, les inclusions d'oxydes sont encore nettement apparentes, tandis qu'à une pression de 5 à 9 kg/mm2 la situation est bien plus favorable, et il en résulte une augmentation considérable de la résistance à la flexion et de la résistance à la traction des pièces soudées.
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Ainsi, la pression de serrage doit être de 3 à 5 kg/mm2 sur la zone de soudure, une valeur de 3 kg/mm étant considérée comme un minimum.
En outre, lorsqu'on soude une fonte par résistance, on doit,-observer qu'en fournissant une grande quantité d'énergie électrique on s'efforce d'exécuter la soudure rapidement et avec une zone de soudure aussi étroite que possi- ble afin d'évacuer rapidement la chaleur fournie au matériau soumis à la soudure en bout. C'est seulement de cette manière qu'il est possible d'évi- ter la précipitation de paillettes de graphite et d'obtenir à leur place du grapnite finement divisé, et d'empêcher également que la chaleur se pro- page dans le reste de la pièce, ce qui risquerait de provoquer des fissures.
La résistance à la traction d'une pièce en fonte contenant 3 % de carbone, 1,95 % de silicium, 0,67 % de manganèse, 0,45 % de phosphore et 0,12 % de soufre a été trouvée égale à 27 kg/mm2. Les conditions d'ob- tention d'un bon résultat sont énoncées dans les quatre points ci-dessous.
Condition 1 -
Si l'on veut que des pièces en fonte soient soudées convenable- ment, il est nécessaire que leurs teneurs respectives en carbone ne diffé- rent pas de plus de 0,5 % et, pour que la résistance obtenue soit la plus élevée possible, il faut que ces teneurs soient comprises entre 2,7 et 3,6 %.
En ce qui concerne les caractéristiques générales de la fonte, que l'on a mentionnées plus haut, le matériau utilisé ne doit pas contenir plus de 1,9% de silicium et il doit en outre présenter une structure contenant soit du graphite finement divisé, soit du carbone substantiellement combiné et une quantité plus faible de graphite. Ces conditions sont nécessaires pour qu'on obtienne une bonne résistance, pour que la soudure présente une struc- ture analogue à celle du matériau initial et, enfin, pour que les contrain- tes intercristallines soient réduites (il convient d'utiliser des pièces en fonte nodulaire, à graphite sphéroidal).
.Afin d'éviter dans la zone de soudure ou à son voisinage la for- nation d'une structure ferritique par refroidissement trop rapide de la zo- ne chauffée, on doit laisser la température s'abaisser normalement lorsque la soudure est effectuée dans un local fermé, tandis que si l'on opère à l'air libre, en particulier en hiver, on peut utiliser la chaleur dégagée par la machine à souder pour éviter un refroidissement trop rapide de la zone chauffée, ce qui entraînerait également la formation de contraintes dan- gereuses dans les pièces.
Lorsque la température de soudure est de 500 C et au-dessous, la diminition de température doit se produire rapidement, et l'on y arrive en maintenant le tube dans la machine à souder, dont les mâ- choires de serrage, refroidies à l'eu, se chargent d'évacuer rapidement la chaleur.
Condition 2 - Pourcentae de phosphore.
Pour obtenir une bonne liaison des pièces, leurs teneurs res- pectives en phosphore ne doivent pas différer l'une de l'autre de plus de 0,2 % et en aucun cas elles ne doivent dépasser 0,5 % en valeur absolue.
Cette condition résulte du fait que la précipitation de graphite doit être faible et que, dans ces conditions, le pourcentage de phosphore rend les pièces fragiles lorsqu'il dépasse 0,5 %. En outre, une teneur plus forte en phosphore rend. la fusion plus fluide et les pièces tendent à "couler", ce qui empêche leur liaison correcte.
Condition 3 -
Pour éliminer l'oxydation de la fonte devant entrer en fusion, on effectue la soudure avec une pression de serrage de 3 à 5 kg/mm2 (ou da- vantage) sur la surface de soudure et l'on fournit un courant de soudure aussi fort que possible de manière a minimiser la superficie chauffée. On considère qu'une pression de serrage de 3 kg/mm2 est un minimum. Des essais exécutés sur des tubes coulés ont montré qu'une intensité de soudure de 30 à 35 kA était nécessaire dans la soudure, ce qui correspond à une énergie
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de 230 à 270 kVA pour une superficie de soudure de 2600 mm2. Pour une su- perficie de soudure de 18000 mm2 liénergie correspondante serait d'environ
105C kVA. Quand on utilise des énergies plus faibles, il est nécessaire' de chauffer les pièces plus longtemps.
Avec des ronds de fonte, on a obtenu une soudure dont la résis- tance à la traction atteignait 24,7 kg/mm2. Dans ce cas, l'énergie de sou- dure était de 125 kVA et la superficie de soudure de 700 mm2. En raison de la forte valeur de l'énergie de soudure, la durée de soudure se trouva considérablement diminuée et l'on n'observa aucune inclusion d'oxydes. Ce- ci explique les bonnes caractéristiques de résistance trouvées pour les sou- dures ainsi exécutées,
Avec une énergie de soudure d'environ 60 à 70 kVA, on a égale- ment obtenu des résultats relativement bons.
Condition 4 - Lorsqueon connaît la composition des deux pièces comme indiqué plus haut et qu'il faut prévoir une différence de chauffage entre ces deux pièces pour leur soudure, l'intervalle entre les mâchoires et le bout (voir figure 1) de celle des deux pièces dont la composition correspond à la température de soudure la plus élevée doit être diminué, de manière à réduire ainsi le volume de matière à chauffer et à obtenir dans la pièce considérée l'établissement plus rapide de la température voulue. Le calcul de l'intervalle a ne présente pas de difficulté lorsqu'on connaît la composition de la pièce, en utilisant le diagramme fer-carbone pour déterminer la température de fusion correspondant à sa teneur en carbone.
Lorsqu'on fabrique des tubes en fonte comprenant des brides à leurs deux extrémités, il ne convient pas d'avoir recours à un moulage cen- trifuge dans un moule, car le tube subit un retrait au cours de sa solidi- f ication et ses brides subissent ainsi un effort vers l'extérieur.
Il n'est donc pas possible de fabriquer par coulée centrifuge des tubes à brides.
La présente invention est relative à un procédé permettant de fabriquer des tubes en fonte constitués par des éléments coulés par centri- fugation.avec bride. Les brides en fonte sont fabriquées individuellement avec leur élément de tube; ces éléments sont chauffés localement sur leur zone de soudure, puis sont pressés l'un contre l'autre est fusionnés sans apport de matériaux autres qu'un fondant, La longueur des éléments-de tubes ne présente pas d'importance.
Pour chauffer et serrer l'un contre l'autre les éléments de tube, on utilise une machine à souder ordinaire du type par rapprochement, dans .laquelle les éléments de tube sont serrés chacun dans leurs mâchoires respectives, ces mâchoires étant connectées à des fils électriques pour le chauffage de la zone de soudure. Après que les éléments de tube ont été chauffés superficiellement sur les deux faces du joint à souder, ils sont amenés automatiquement et en contact sous pression élevée. La température et la pression qui conviennent dépendent des dimensions des pièces et de la nature du matériau.
Etant donné que le matériau considéré est de la fonte, les joints de soudure doivent être chauffés rapidement en faisant intervenir une éner-. gie électrique importante de manière à éviter la formation de fissures, la zone de chauffage devant être maintenue étroite. Le tube obtenu ainsi s'est révélé étanche, exempt de porosité, et lisse, la soudure étant protégée de l'oxydation par décapage et pression de serrage élevée. Les parties moulées sont, étanches à l'eau sous une pression raisonnable pour des pièces de ce genre. La zone de soudure est aussi lisse que le restant de la surface des pièces. Des essais de résistance à la traction donnent pour la zone de soudure des valeurs analogues à celles du restant des pièces.
Enfin,
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des essais métallographiques montrent que la structure des zones de soudure est également la même.
Ce procédé est meilleur marché que tout procédé connu jusqu'à présent car il ne nécessite ni modèles, ni noyaux et les opérations en sont simples et rapides. En outre, ces avantages ne dépendent pas de la longueur des tubes.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de fabrication d'articles en fonte tubulaires ou mas- sifs par exemple de tubes en fonte avec bride à chaque extrémité, au moyen d'une machine à souder électriquement par rapprochement, en soudant ensemble des éléments de fonte, caractérisé en ce que chacun des éléments de fonte a une teneur en carbone de 2,7 à 3,6 % et une différence relative de cette teneur de 0,5 % au maximum, le pourcentage de silicium ne dépassant pas 1,9 %, le pourcentage de phosphore ne dépassant pas 0,5 % avec une différence relative de 0,2 % au maximum entre les deux éléments, le refroidissement de la zone de soudure étant de préférence¯obtenu rapidement à partir de la température de fusion jusqu'à environ 400 à 500 C à l'aide d'un refroidissement à l'eau des mâchoires des électrodes de soudure,
le refroidissement se poursuivant ensuite à l'air à la température ambiante après arrêt; du courant électrique.