Brevet FR2800756A1 — publié le 20010511

La présente invention concerne un procédé d'assemblage de deux éléments adjacents d'un appareil de voie définissant au moins une surface de roulement, dans lequel les deux éléments sont soudés suivant un plan de soudage s'étendant depuis la ou chaque surface de roulement. Pour la fabrication d'éléments d'appareil de voie, il est courant de souder contre l'autre deux profilés métalliques, et notamment deux tron çons rail. Les surfaces soudées des deux tronçons de rail sont ménagées dans patin du rail et dans le champignon du rail. Elles sont usinées et/ou déformees préalablement au soudage. soudage de tels éléments est par exemple nécessaire pour la fa brication d'une pointe d'un coeur d'appareil de voie. Pour de tels appareils de voie, la dureté de l'acier doit souvent etre supérieure à 330 HB, c'est-à-dire compatible avec des rails dont la résis tance à la rupture est de l'ordre de 1100 à 1400 MPa. Les techniques de soudage connues actuellement mettent en oeuvre essentiellement des moyens automatiques ou semi-automatiques de - dage par arc électrique de type MIG ou MAG. Ces procédés nécessitent métal d'apport pour la réalisation de la soudure. constate que la soudure obtenue n'est pas homogène, la zone soudée créant une baisse sensible de la dureté initiale due à une perte de la trempe une modification de structure dans les zones affectées thermi- quement lors du soudage, de part et d'autre de la soudure. inconvénient se caractérise par le différentiel de dureté constaté suivant largeur de la surface de roulement ainsi que par une large zone autour la région soudée où la dureté nominale n'est pas atteinte. connaît par ailleurs un procédé de soudage électrique dit par "métal d'apport et bain continu". Ce procédé est communément appelé "ELECTROSLAG". Il est proposé par exemple par la société ARCOSWELD en Belgique. Ce procédé met en oeuvre un fil fusible alimenté en continu. Ce procédé est utilisé notamment pour la fabrication de pointes de coeurs d'appareils de voie. Toutefois, on constate que sa mise en oeuvre conduit à l'existence autour du joint soudé d'une large zone où les caracté ristiques de dureté sont modifiées et dégradées. De plus, la soudure doit impérativement être exécutée en position verticale, ce qui limite domaine d'application du procédé. L'invention a pour but de proposer un procédé d'assemblage de deux éléments adjacents d'un appareil de voie, notamment de deux tronçons de rail préalablement usinés, permettant d'obtenir une dureté très importante dans région soudée, cette dureté étant supérieure à 330 HB, qui est requis lors de l'utilisation d'une nuance de rail de 1100 MPa. cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'assemblage du type précité, caractérisé en ce que la soudure est réalisée par soudage au laser sans apport de matière. Suivant des modes particuliers de mise en oeuvre de l'invention, le procédé comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - au moins un conduit s'étendant suivant le plan de soudage est déli mité entre les deux éléments adjacents, et l'on met en oeuvre moyens d'évacuation des fumées hors dudit conduit lors de l'application faisceau laser de soudage ; - l'étape de mise en oeuvre des moyens d'évacuation fumées comporte l'étape de ménager au travers d'au moins un desdits éléments, au moins une lumière reliant ledit conduit au milieu ambiant; - une série de lumières disjointes sont ménagées suivant la longueur du conduit ; - au moins un élément à souder comporte un patin d'appui sur un support, une âme centrale et un champignon délimitant au moins partielle ment ladite surface de roulement, et les lumières d'évacuation des fumées sont ménagées au travers de l'âme centrale d'au moins un élément à sou der, la soudure laser étant réalisée suivant le champignon du ou de chaque élément ; - au moins un élément à souder comporte un patin d'appui sur un support, une âme centrale et un champignon délimitant au moins partielle ment ladite surface de roulement, et les lumières d'évacuation des fumées sont ménagées au moins partiellement dans le patin d'au moins un élément à souder, la soudure laser étant réalisée suivant le champignon du ou de chaque élément; - l'étape d'évacuation des fumées comporte en outre la mise en place de moyens d'aspiration des fumées en regard de la ou de chaque lumière ; - l'étape de mise en oeuvre des moyens d'évacuation fumées comporte l'étape d'établissement d'un flux gazeux forcé au travers dudit conduit depuis au moins une ouverture d'extrémité du conduit ; - il est mis en oeuvre des moyens d'aspiration depuis une extrémité du conduit pour établir ledit flux gazeux forcé au travers du conduit ; - il est mis en ceuvre des moyens de soufflage depuis extrémité du conduit pour établir ledit flux gazeux forcé au travers du conduit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux des sins lesquels La figure 1 est une vue de dessus avec section rabattue d'un appa reil voie constitué de deux éléments assemblés par un procédé selon l'invention ; - Les figures 2 et 3 sont des vues partielles en perspective de trois- quarts, respectivement, de dessus et de dessous de deux variantes d'appa reil voie réalisés suivant le procédé selon l'invention ; - Les figures 4 et 5 sont des vues schématiques en coupe longitudi nale d'un appareil de voie en cours de fabrication par mise en oeuvre de deux variantes de réalisation du procédé selon l'invention ; et Les figures 6, 7 et 8 sont des vues en section d'éléments adjacents d'un appareil de voie assemblés par le procédé selon l'invention. la figure 1 est représentée une pointe de coeur fixe ou mobile d'appareil de voie formée par assemblage de deux tronçons de rail coudés 12, 14 dont des premières ailes sont disposées côte à côte et dont des se condes ailes sont angulairement décalées. Ces tronçons de rails sont réali sés acier trempé de nuance de 1100 MPa à 1400 MPa. Les deux tron çons 12, 14 convergent l'un vers l'autre pour définir une pointe obtenue par usinage ultérieur. Ces tronçons de rail 12, 14 sont reliés par soudure 18. Celle-ci s'étend suivant la bissectrice de l'angle délimité par les deux ai les angulairement décalées. Ces tronçons sont usinés préalablement à leur soudage pour former des surfaces planes d'accouplement 20, 22 appliquées l'une contre l'autre et soudées suivant la soudure longitudinale 18 pour assu rer l'assemblage des deux tronçons de rail. surfaces d'accouplement 20, 22 s'étendent sensiblement per pendiculairement aux surfaces de roulement 12D, 14D de deux éléments adjacents. Elles sont ménagées dans le champignon des tronçons rail, comme cela sera décrit en détail dans la suite. Elles peuvent également être ménagees dans le patin. Ces surfaces planes d'accouplement définissent un plan de soudage. Le termes "plan de soudage" sont utilisés dans un sens large et désignent plus genéralement toute surface cylindrique engendrée par déplacement d'une droite. Selon l'invention, les surfaces d'accouplement 20, 22 sont soudées l'une contre l'autre par un soudage au laser sans apport de matière. sou dage réalisé à l'aide d'un laser de puissance, ayant une puissance com prise entre 25 et 50 kW. Ce laser de puissance est par exemple de type 40 kW. Pour le soudage, le faisceau laser est déplacé progressivement sui vant longueur du joint formé entre les surfaces 20 et 22. Il est déplacé pa rallèlement à ces surfaces, c'est-à-dire sensiblement perpendiculairement aux surfaces de roulement 12D, 14D. Sur la figure 2 est représentée une région soudée d'une partie d'appa reil voie de la figure 1. Chaque tronçon de rail 12, 14 comporte patin 12A, 12B partiellement tronqué dans la région de liaison pour former des surfaces d'accouplement supplémentaires 23, 24, soudées l'une contre l'au tre. Chaque tronçon de rail comporte en outre une âme 12B, 14B surmontée d'un champignon 12C, 14C. Les champignons sont usinés pour délimiter les surfaces parallèles d'accouplement 20 et 22. surfaces supérieures contiguës des champignons forment les surfaces de roulement 12D, 14D sensiblement coplanaires délimitées sur les deux tronçons assemblés. Un espace libre 26, s'étendant suivant l'essentiel de la longueur des tronçons 12, 14, formant ainsi un conduit est délimité entre les âmes et 14B des deux tronçons de rail. Ce conduit 26 est délimité dans sa partie périeure et dans sa partie inférieure par les surfaces d'accouplement 20, 22 des champignons 12C, 14C et les surfaces d'accouplement 23, 24 des pa tins et 14A. soudure entre les patins 12A et 14A liant les surfaces d'accouple ment et 24 est réalisée par exemple par soudage à l'arc électrique avec métal d'apport ou tout autre technique adaptée avant réalisation la sou dure Selon l'invention, afin d'améliorer la structure métallurgique la sou dure 18 réalisée au laser entre les surfaces d'accouplement 20, des moyens d'évacuation, hors du conduit 26, des fumées formées lors l'ap plication du faisceau laser sont ménagés sur au moins l'un des deux élé ments à souder. Dans le mode de réalisation de la figure 2, ces moyens d'évacuation des fumées comportent des lumières débouchantes 28, 30, ménagées dans l'épaisseur de l'âme 14B. Celles-ci relient l'intérieur du conduit 26 milieu ambiant et forment des cheminées latérales d'évacuation des fumées. Ces lumières sont par exemple circulaires comme la lumière 30 ou présentent une forme oblongue, comme la lumière 28. Les lumières sont avantageuse ment disjointes et réparties suivant la longueur du conduit 26. On conçoit que la présence des lumières d'évacuation fumées permet, lors du soudage, que les gaz produits par l'oxydation métal lors de l'élévation de la température sous l'effet du faisceau laser puissent être évacués rapidement et ne soient pas confinés à l'intérieur du conduit 26. Ainsi, les lumières 28, 30 évitent l'accumulation des gaz et des fu mées de soudage, qui, échauffés par l'énergie de soudage, créent des sur- pressions localisées ou globales, permanentes ou cycliques, en cours de soudage. soufflures au sein de la soudure sont totalement éliminées ou considérablement réduites, du fait de l'absence de remontée gazeuse dans l'acier fusion au cours du soudage. De plus, les éventuelles amorces de rupture et les liaisons mécani ques incomplètes, résultant de bulles ou de collage, sont évitées dans une large mesure. Dans la variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention illus trée sur la figure 3, on retrouve deux tronçons de rail 12, 14 soudés sensi blement longitudinalement l'un à l'autre avec un faible décalage angulaire suivant une soudure médiane 18. Dans ce mode de réalisation, la soudure 18 entre les faces d'accouplement 20, 22 usinées des champignons 12, 14 est également effectuée par un faisceau laser. Afin de permettre l'évacuation fumées, des lumières 40 sont mé nagées au travers des patins 12A, deux rails, dans la région de liai son de ceux-ci. Ainsi, les lumières d'evacuation des fumées sont définies suivant la longueur du joint de liaison patins, à intervalles réguliers, à cheval sur les patins des deux tronçons rail à souder. Ces lumières dé bouchent dans le conduit 26. On conçoit que, lors du soudage par le faisceau laser, ces lumières permettent l'évacuation des fumées, celles-ci étant laissées libres de tout obstacle lors de l'application du faisceau laser. Dans la variante de réalisation illustrée sur la figure 4, les moyens d'évacuation des fumées ne comportent pas une série de lumières réparties suivant la longueur d'au moins l'un des éléments à souder. Ils comportent au contraire des moyens 50 d'aspiration des fumées disposés à l'extrémité ou verte du conduit depuis laquelle la soudure a été initiée, c'est-à-dire l'extré mité du conduit dont s'éloigne le faisceau laser noté F. Ces moyens d'aspi ration comportent par exemple une pompe 52 d'aspiration reliée à l'extrémité du conduit 26 par une bouche d'aspiration convergente 54. En variante, les moyens d'aspiration 50 sont remplacés par des moyens de soufflage d'air 60 disposé une extrémité du conduit 26 délimité entre les deux éléments à souder. Ces moyens de soufflage comportent une soufflante 62 débitant un flux gazeux travers d'un divergent 64 assurant la liaison avec l'extrémité du conduit Les moyens d'aspiration 50 et moyens de soufflage 60 peuvent être utilisés séparément ou conjointement. En tout état de cause, ceux-ci, mis en oeuvre séparément ou conjointement, assurent l'établissement d'un flux gazeux à l'intérieur du conduit 26. sens du flux est opposé au sens d'avancement du faisceau laser le long joint à souder. Le flux gazeux provoque ainsi une évacuation et une élimination rapides des fumées - duites lors du soudage. Les moyens d'établissement d'une telle circulation sont maintenus en fonctionnement pendant toute l'opération de soudage jusqu'à cristallisation totale du métal dans la soudure. On conçoit que dans ce mode de mise en #uvre également, l'élimi nation rapide des fumées créées dans le conduit 26 garantit une qualité crue de la structure métallique de la soudure, augmentant ainsi la dureté de la surface de roulement dans la région soudée. On constate en particulier que le soudage au laser permet une pene- tration totale, sans besoin de "reprise envers" ni de "support envers", c' -a- dire sans soudure sur la face opposée au rayon laser, sans coffrage de sup port bain de fusion. qualité première de la soudure obtenue est une largeur très limitée de la zone affectée thermiquement et présentant une dureté moindre due une perte de trempe du rail de base. On constate que cette largeur est prise entre 5 et 15 mm, alors que celle-ci est de l'ordre de 20 à 50 mm lors de la réalisation d'une soudure avec un métal d'apport suivant une technique classique. plus, la composition chimique de la partie soudée d'appareil de voie homogène puisqu'aucun métal d'apport n'est nécessaire. De manière générale, la réduction ou la suppression des dégrada tions dans les caractéristiques des profilés permet d'obtenir d'excellentes propriétés de dureté, de résistance à la rupture, de résistance élastique, d'allongement, de résilience et d'homogénéité de la région soudée. Quelle que soit la variante de réalisation du procédé de soudage au laser utilisée, les éléments à souder sont avantageusement amenés maintenus lors du soudage à une température adaptée aux matériaux présence et comprise entre 300 C et 500 C par exemple pour une nuance de rail 1100 MPa. Sur les figures 6 à 8 sont illustrés des exemples d'assemblage d'élé ments de rail par un procédé selon l'invention. Dans la variante de la figure 6, l'élément d'appareil de voie est cons titué de deux tronçons de rail 112, 114 de hauteurs différentes assemblés de sorte que leurs surfaces de roulement soient coplanaires. Ainsi, les patins 112A, 114A des deux tronçons de rail s'étendent à des hauteurs distinctes. Entre les deux tronçons de rail est délimité un conduit 116. Dans le mode de réalisation de figure 7, un rail 212 dont l'âme 212B est de hauteur réduite est soudé longitudinalement à un profilé 214 délimitant en section une forme d'équerre. Ceux-ci sont assemblés suivant une soudure 218 formée entre deux surfaces d'accouplement délimitant un angle non nul avec l'axe vertical du rail. Entre le rail et le profilé soudé est délimité un canal 216. La région soudée est réalisée à l'aide d'un laser de forte puissance dont l'axe est décalé angulairement par rapport à l'axe du rail. Dans la variante de réalisation la figure 8, deux tronçons de rail 312, 314 de mêmes hauteurs sont soudés longitudinalement l'un à l'autre par un soudage au laser dans la région liaison des deux champignons notés 312C, 314C. Un premier champignon 312C est entaillé pour délimiter un renfoncement à l'intérieur duquel reçue une partie en saillie du cham pignon 314C de l'autre rail. Les surfaces d'accouplement 320, entre lesquelles est effectuée la soudure au laser comportent un premier tronçon 330 s'étendant parallè lement aux axes verticaux des deux rails, prolongé par un second tronçon 332 incliné par rapport à ces axes verticaux, ce second tronçon convergeant vers le canal 316 délimité entre les deux rails. Seul le tronçon 320 est soudé à l'aide du faisceau laser, le tronçon 322 du joint restant sans soudure. Quel que soit le mode de réalisation, lors du soudage laser, des moyens d'évacuation des fumées dans les conduits 116, 216, 316 sont avantageusement mis en oeuvre. Ceux-ci sont formés par des lumières mé nagées dans au moins l'un des rails ou par des moyens d'aspiration et/ou de soufflage installés à une extrémité du conduit. La description faite ici concerne rails à champignon plein. Toute fois, le procédé peut également être ' en ceuvre pour le soudage de rails à gorge. En variante, lors de la mise en ceuvre du procédé illustré sur figure dans lequel des lumières sont ménagées au travers de l'âme du rail, des moyens d'aspiration sont avantageusement installés en regard de lumiè- afin de faciliter l'évacuation des fumées. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'assemblage de deux éléments adjacents (12, 14 ; 112, 114 ; 212, 214 ; 312, 314) d'un appareil de voie définissant au moins surface de roulement, dans lequel les deux éléments sont soudés suivant plan de soudage s'étendant depuis la ou chaque surface de roulement, ractérisé en ce que la soudure (18) est réalisée par soudage au laser sans apport de matière. 2.- Procédé d'assemblage selon la revendication 1, dans lequel au moins un conduit (26) s'étendant suivant le plan de soudage est délimite entre les deux éléments adjacents (12, 14), caractérisé en ce que l'on en ceuvre moyens (28, 30 ; 40 ; 50 ; 60) d'évacuation des fumées hors dudit conduit (26) lors de l'application du faisceau laser de soudage. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape mise en ceuvre des moyens d'évacuation des fumées comporte l'étape ménager travers d'au moins un desdits éléments, au moins une lumiere (28, 30) reliant ledit conduit (26) au milieu ambiant. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une série de lumières disjointes sont ménagées suivant la longueur du conduit (26). 5.- Procédé selon la revendication 4, dans lequel au moins un élé ment à souder (14) comporte un patin (14A) d'appui sur un support, une âme centrale (14B) et un champignon (14C) délimitant au moins partielle ment ladite surface de roulement (14D), caractérisé en ce que les lumieres (28, 30) d'évacuation des fumées sont ménagées au travers de l'âme trale (1 moins un élément à souder, la soudure laser (18) étant réa lisée suivant champignon (14C) du ou de chaque élément. - Procédé selon la revendication 4, dans lequel au moins un " " ment à souder (12, 14) comporte un patin (12A, 14A) d'appui sur un support, une âme centrale (12B, 14B) et un champignon (12C, 14C) délimitant moins partiellement ladite surface de roulement (12D, 14D), caractérise en ce que les lumières (40) d'évacuation des fumées sont ménagées au moins partiellement dans le patin (12A, 14A) d'au moins un élément à souder, soudure laser (18) étant réalisée suivant le champignon (12C, 14C) du chaque élément. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à caracté risé ce que l'étape d'évacuation des fumées comporte en outre mise en place de moyens d'aspiration des fumées en regard de la ou de chaque lu mière. 8.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de mise en oeuvre des moyens d'évacuation des fumées comporte l'étape d'établissement d'un flux gazeux forcé au travers dudit conduit (26) depuis au moins une ouverture d'extrémité du conduit. - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il mis en oeuvre moyens d'aspiration (50) depuis une extrémité du conduit (26) pour établir ledit flux gazeux forcé au travers du conduit (26). 10.- Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en qu'il est mis en ceuvre des moyens de soufflage (60) depuis une extrémité du conduit (26) pour établir ledit flux gazeux forcé au travers du conduit (26).