Souder et assembler les métaux

En une phrase

Souder et assembler les métaux, c’est joindre deux pièces de métal définitivement par la chaleur et le martelage — la clé pour construire des objets en fer trop complexes pour être forgés d’une seule pièce.

Qu’est-ce que c’est ?

L’assemblage des métaux est l’art de joindre deux pièces de métal pour n’en former qu’une. C’est ce qui distingue le forgeron du simple fondeur : un fondeur coule du métal dans un moule, un forgeron assemble des pièces forgées en un objet complexe.

Il existe cinq méthodes d’assemblage des métaux :

• La soudure à feux (forge welding) : chauffer deux pièces de fer au rouge blanc et les marteler ensemble. La plus ancienne et la plus accessible.
• Le rivetage : percer un trou dans les deux pièces, insérer un rivet en fer et l’aplatir des deux côtés. Solide mais non étanche.
• Le boulonnage : tarauder un trou et y visser un boulon. Démontable et solide.
• La brasure : chauffer les pièces et ajouter un métal d’apport qui fond à plus basse température (laiton, bronze). Le métal d’apport coule entre les pièces par capillarité.
• L’emmanchement à la chaleur : chauffer une pièce pour la dilater, l’enfiler sur une autre pièce, et laisser se contracter en refroidissant. L’emmanchement est extrêmement serré et solide.

Où trouver/fabriquer

L’équipement nécessaire

1. La forge : un foyer de charbon de bois avec un soufflet (voir Construire un four à forge rudimentaire ou Construire une forge à eau). La forge doit atteindre au moins 1200 degrés pour la soudure à feux.
2. L’enclume : un bloc de fer ou d’acier de 20 à 50 kg, posé sur une souche de bois. La surface doit être plate et polie.
3. Le marteau de forge : un marteau en fer de 1 à 3 kg, manche en bois de frêne ou de coudrier.
4. Les pinces : plusieurs paires de pinces en fer forgé de différentes tailles pour tenir les pièces chaudes.
5. La pierre d’affinage : un bloc de grès ou de quartz pour aiguiser les outils et lisser les pièces.
6. Le bac à trémpé : un seau en bois ou un bac en fer rempli d’eau (ou d’huile pour la trémpé douce).
7. Le fil à souder : du fer doux en baguette de 3 à 5 mm de diamètre, ou du laiton en fil (pour la brasure).

Le flux de soudure

Le flux est une poudre qui empêche l’oxydation du fer à haute température. Sans flux, la forge d’oxydation se forme sur le fer et empêche la soudure.

• Borax : le meilleur flux. Saupoudrer sur les pièces chaudes avant de souder. Le borax fond à 740 degrés et forme une couche de verre qui protège le fer de l’oxydation.
• Sable siliceux fin : remplace le borax si on n’en a pas. Moins efficace mais fonctionnel.
• Sel fin : un substitut médiocre mais accessible. Saupoudrer sur les pièces chaudes.

Étapes détaillées

Méthode 1 : Soudure à feux (forge welding)

La soudure à feux est la méthode reine de l’assemblage métallique. Deux pièces de fer chauffées au rouge blanc et martelées ensemble forment une seule pièce.

Préparation

1. Nettoyer les surfaces : les pièces à souder doivent être propres, sans oxydation, sans rouille et sans graisse. Les limer ou les gratter avec un couteau jusqu’à obtenir une surface métallique brillante.
2. Chanfreiner : si les pièces sont épaisses, biseauter les bords à souder (chanfrein à 45 degrés). Le chanfrein permet à la soudure de pénétrer dans toute l’épaisseur.
3. Fixer les pièces : maintenir les deux pièces en position avec des pinces ou du fil de fer. Les surfaces à souder doivent être en contact étroit.

Soudure

4. Chauffer les pièces : placer les deux pièces dans la forge, surface à souder vers le haut. Chauffer au rouge vif (environ 1100-1200 degrés). Le fer doit briller d’un jaune éclatant, presque blanc.
5. Appliquer le flux : quand le fer est au rouge vif, saupoudrer de borax ou de sable siliceux fin sur les surfaces à souder. Le flux fond et forme une couche vitreuse qui protège le fer.
6. Rechauffer : remettre les pièces dans la forge et chauffer encore. Le flux bout et mouss sur les surfaces. C’est le signe que la température de soudure est atteinte.
7. Souder : sortir les pièces du feu. Les poser sur l’enclume. Les marteler fermement et rapidement avec le marteau de forge. Les coups doivent être précis et puissants. Le fer est maintenant à bonne température — la soudure se fait en quelques secondes de martelage.
8. Vérifier : la soudure doit être invisible ou presque. Si une ligne est visible, la pièce n’est pas soudée sur toute la surface. Rechauffer et re-marteler.
9. Refroidir : laisser la pièce refroidir lentement dans les cendres de la forge. Ne jamais tremper une pièce soudée à l’eau — la trempe concentre les contraintes thermiques et la soudure peut casser.

Types de soudures à feux

• Soudure bout à bout : deux pièces mises bout à bout. Le plus simple.
• Soudure à clin : deux pièces chevauchées. La plus solide.
• Soudure en V : les deux pièces sont chanfreinées et emboitées en V. La meilleure pour les pièces épaisses.
• Soudure en fourche : une pièce est fendue et l’autre est insérée dans la fente. Excellente pour les jonctions en T.

Méthode 2 : Rivetage

Le rivetage est la méthode la plus simple pour assembler deux pièces de fer (ou de bronze, ou de cuivre) de manière permanente.

1. Percer le trou : percer un trou dans les deux pièces à assembler avec un foret en fer ou un poinçon. Le trou doit être du diamètre du rivet.
2. Le rivet : un rivet est une tige de fer de 5 à 15 mm de diamètre, plus longue que l’épaisseur des deux pièces assemblées. L’extrémité supérieure a une tête préformée (un disque évasé).
3. Insérer le rivet : insérer la tige du rivet dans les deux trous alignés. La tête préformée est d’un côté.
4. Former la seconde tête : placer la tête du rivet sur l’enclume. Avec un marteau, aplatir l’extrémité qui dépasse de l’autre côté. Frapper fermement pour former une seconde tête qui appuie les deux pièces l’une contre l’autre.
5. Serrer : le rivet est maintenant en place. Il ne peut pas se retirer sans être détruit. L’assemblage est solide et permanent.

Avantage du rivetage : ne nécessite pas de chauffe, fonctionne à froid, plus simple que la soudure. Inconvénient : ne sont pas étanches, ajoute du poids, les trous affaiblissent les pièces.

Méthode 3 : Emmanchement à la chaleur (shrink fitting)

L’emmanchement à la chaleur utilise la dilatation thermique pour emboîter deux pièces l’une dans l’autre de manière indémontable.

1. Préparer les pièces : la pièce extérieure (le trou) doit avoir un diamètre légèrement inférieur à la pièce intérieure (l’axe) à la température ambiante. La différence de diamètre est de 0,5 à 1 pour cent du diamètre.
2. Chauffer la pièce extérieure : chauffer la pièce extérieure (le trou) au rouge vif dans la forge. Le métal se dilate et le trou s’agrandit.
3. Insérer la pièce intérieure : rapidement — en quelques secondes — insérer la pièce intérieure (froide) dans la pièce extérieure (chaude). Pousser fermement.
4. Laisser refroidir : la pièce extérieure se contracte en refroidissant et serre la pièce intérieure avec une force considérable. L’emmanchement est permanent et extrêmement solide.

Usage typique : emmancher un manche d’outil sur un fer, emmancher un axe dans une roue dentée, emmancher un cerclage de roue.

Méthode 4 : Brasure}

La brasure est une soudure douce où un métal d’apport (laiton, bronze) fond à une température inférieure au métal de base et coule entre les pièces par capillarité.

1. Nettoyer les surfaces : les pièces à braser doivent être parfaitement propres et ajustées. L’oxydation empêche la brasure d’adhérer.
2. Appliquer le flux : enduire les surfaces d’un flux (borax ou sable siliceux) pour empêcher l’oxydation pendant la chauffe.
3. Chauffer les pièces : chauffer les pièces au rouge vif, pas au rouge blanc. La température de brasure est inférieure à la température de soudure à feux.
4. Apporter le métal d’apport : toucher la jonction avec une baguette de laiton ou de bronze. Le métal d’apport fond et coule par capillarité entre les deux pièces.
5. Laisser refroidir : le métal d’apport se solidifie et soude les deux pièces. La brasure est visible comme un joint doré.

Variations par climat

En climat tempéré

• La forge fonctionne bien. Le charbon de bois est abondant.
• La brasure au laiton est la méthode la plus polyvalente pour les assemblages étanches.
• En hiver, le fer froid se dilate moins vite — chauffer les pièces plus longtemps.

En climat tropical

• La chaleur ambiante facilite le travail du fer — moins de charbon nécessaire.
• La brasure au laiton est idéale pour les assemblages de cuivre et de bronze, métaux communs dans les régions troficates.
• L’humidité accélère la rouille — souder et riveter rapidement, puis protéger avec du goudron ou de l’huile.

En climat désertique

• Le charbon est rare — optimiser la forge et utiliser la brasure (qui consomme moins de chaleur).
• Le sable siliceux est abondant et sert de flux.
• Le vent peut servir de soufflet naturel pour la forge.

En climat froid / boréal

• Le fer est plus cassant à froid. Toujours chauffer les pièces avant de les marteler ou de les plier.
• La forge consomme plus de charbon en climat froid — le four se refroidit plus vite. Isoler la forge avec de la brique réfractaire.

Pièges et erreurs courantes

• Soudure qui ne prend pas : la température n’était pas assez élevée. Le fer doit être au rouge blanc (jaune éclatant), pas au rouge sombre. Si les pièces ne collent pas, rechauffer plus fort.
• Oxydation : sans flux, le fer s’oxyde à haute température et la soudure ne prend pas. Toujours appliquer du borax ou du sable siliceux.
• Soudure fragile : la soudure est fragile si les pièces ne sont pas parfaitement propres, si le flux est insuffisant, ou si la pièce a été trempée après la soudure. Laisser refroidir lentement dans les cendres.
• Rivet lâche : le rivet ne serre pas si le trou est trop grand ou si le rivet est trop court. Le rivet doit dépasser de 1 à 1,5 fois son diamètre de l’autre côté de la pièce.
• Brasure qui ne coule pas : température trop basse, surfaces sales, ou flux insuffisant. La brasure doit couler comme de l’eau entre les pièces.
• Emmanchement qui ne serre pas : la différence de diamètre entre les deux pièces était trop faible. L’emmanchement doit être forcé — si les pièces glissent facilement, l’emmanchement est trop lâche.

Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer

• Construire un pont — les ferrures et les rivets assemblent les poutres et les câbles
• Construire un bateau en bois — les rivets et les ferrures renforcent les bordages
• Construire un moulin à eau — l’axe de la roue et les engrenages sont assemblés par soudure et emmanchement
• Construire une horloge mécanique — les roues dentées et les axes sont emmanchés à la chaleur

Notes

• La soudure à feux est la plus ancienne méthode d’assemblage métallique, datant de plus de 3000 ans. Les forgerons du Proche-Orient ancien soudaient déjà le fer au marteau.
• Une soudure à feux bien faite est plus solide que le métal environnant. La soudure est invisible à l’oeil nu et casse rarement à cet endroit.
• Le rivetage a été la méthode d’assemblage principale des constructions métalliques jusqu’à l’invention du soudage à l’arc au 19ème siècle. La Tour Eiffel, les ponts et les navires étaient assemblés par rivets.
• L’emmanchement à la chaleur est utilisé pour les essieux de roue, les manches d’outil et les engrenages. La force de serrage est considérable — jusqu’à plusieurs tonnes par centimètre carré.

Ressources externes

• Open Source Ecology — GVCS — plans de forges et de techniques de soudure
• Survivor Library — manuels historiques de métallurgie et de soudure (catégorie « Metallurgy »)
• Appropedia — tutoriels de soudure à feux et de rivetage artisanale