Brevet FR2845401A1 — publié le 20040409

L'invention concerne un procédé de raccordement d'un rail à gorge en acier au carbone à un élément d'appareil de voie en acier austénitique, tel qu'une branche de coeur de croisement ou une aiguille, ledit rail ayant un profil 5 présentant un champignon qui définit une surface de roulement et une bavette en saillie latérale qui définit avec le champignon une gorge, et ledit élément d'appareil de voie ayant un profil à gorge au moins partiellement identique. Le terme " rails à gorge " s'entend des rails généralement utilisés pour guider des véhicules ferroviaires du type tramway ou tram-train, et mis en oeuvre dans une pose en chaussée et dans un environnement urbain ou péri-urbain. Ce terme désignera également les 15 rails à ornière utilisés principalement pour guider des véhicules ferroviaires du type locomotive, locotracteurs, wagons ou autres, dans un environnement portuaire ou industriel. On connaît dans l'état de la technique des procédés de 20 raccordement par soudure d'un rail ordinaire en acier au carbone dit " vignole " à un insert en acier austénitique ou austéno-ferritique, présentant un profil identique, et utilisé dans les coeurs de voies des chemins de fer traditionnels. Un rail ordinaire de type " vignole " comprend un champignon, dont la table de roulement est orthogonale à l'âme du rail, et dont le profil est symétrique par rapport au plan vertical moyen du rail. Ces procédés de raccordement appliqués à de tels 30 éléments de rail comportent généralement une première opération de soudure entre le rail et l'insert, par exemple par étincelage, sans apport de.matière, et une opération de refroidissement de l'ensemble en cycle lent contrôlé. Les procédés connus sont notamment utilisés pour raccorder l'antenne ainsi obtenue à un coeur de voie présentant un élément de rail à profil correspondant, notamment des coeurs de croisement et de traversée, lesquels 5 sont généralement réalisés en acier austénitique, ayant dans sa composition environ 12 à 14% de manganèse, éventuellement hyper-trempé, avec ou sans pré-écrouissage. Suivant une telle utilisation, dans une première étape de procédé, on soude au rail en acier au carbone une pièce 10 intercalaire dite " insert ", généralement en acier austénitique ou austéno-ferritique, de section identique à celle du rail. L'ensemble ainsi constitué est appelé " antenne ". Dans une deuxième opération de soudage analogue à la 15 première, on raccorde l'antenne au coeur de voie de même profil, lequel est réalisé généralement en acier moulé allié austénitique, très souvent traité par hypertrempe, avec ou sans pré-écrouissage. Ces procédés sont utilisés actuellement dans la 20 soudure des extrémités des coeurs de voie pour les réseaux nationaux du type traditionnel et à grande vitesse. Ils permettent de s'affranchir de tout joint et d'améliorer la continuité du roulement en augmentant la durée de vie des appareils de voie, mais également d'améliorer le confort 25 des passagers et de diminuer les nuisances sonores pour les riverains. Une tendance actuelle dans le domaine ferroviaire consiste à assurer une interopérabilité des matériels roulants et des superstructures, de sorte que les réseaux 30 urbains (notamment pour tramways) soient raccordables aux réseaux interurbains classiques. Pour cela, il est nécessaire que les appareils de voie des réseaux urbains, par exemple, soient à même de supporter des charges accrues, en particulier pour s'adapter à des charges à l'essieu supérieures et à des vitesses plus importantes. Ces appareils de voie, très souvent en rail à gorge, doivent par conséquent être 5 réalisés, plus particulièrement au niveau des aiguilles et des coeurs, dans des alliages métalliques analogues à ceux des appareils de voie des réseaux inter-urbains, c'estàdire généralement en acier austénitique avec un traitement métallurgique adapté. Pour maintenir des critères optimaux de confort pour les passagers et les riverains, en particulier en terme de réduction des nuisances sonores, il est nécessaire de raccorder ces éléments d'appareils de voie aux réseaux de rails à gorge par soudage. Or, les procédés de soudage connus décrits précédemment ne sont pas applicables en l'état à des éléments en rail à gorge. La soudure par étincelage avec insert identique au profil à très haute température provoque dans ce cas des pertes de matière de chaque 20 élément d'importances inégales aux extrémités soudées. De ce fait, et également à cause du niveau extrêmement élevé de l'effort de compression appliqué sur l'extrémité à souder des deux éléments, il peut se produire une zone de fragilité relative au niveau de la bavette, et en résulter 25 une zone d'amorçage de fissuration conduisant à la rupture totale du rail sous charge en voie. C'est pourquoi les procédés de raccordement par soudure actuellement connus ne sont appliqués qu'à des rails à profil sensiblement symétrique, type vignole. L'invention vise à permettre l'utilisation des procédés de soudage décrits ci-dessus pour des éléments de rails à gorge ou à ornières, désignés de façon globale par le terme " rails à gorge ", et ainsi à permettre notamment l'utilisation de pièces en acier moulé austénitique, du type coeur de voie ou aiguille, dans des réseaux ferrés utilisant des rails à gorge. Ces réseaux ferrés pourraient alors bénéficier des 5 mêmes qualités techniques que les réseaux nationaux, en évitant une discontinuité dans le roulement des véhicules ferroviaires, et répondre dans le même temps aux exigences de guidage, de roulement, et de sollicitation des superstructures. Ce but est atteint par le procédé de raccordement suivant l'invention, du fait que celui-ci comporte les étapes consistant à: - usiner l'extrémité à raccorder du rail, de façon à supprimer la bavette sur une section de longueur 15 prédéterminée s'étendant depuis l'extrémité à raccorder du rail; - souder l'extrémité du rail ainsi usinée à un insert de profil au moins partiellement identique, de façon à former une antenne; et - souder ladite antenne à l'élément d'appareil de voie. Suivant d'autres caractéristiques optionnelles du procédé de l'invention: - préalablement au soudage de l'antenne sur l'élément 25 d'appareil de voie, on usine l'extrémité à raccorder dudit élément d'appareil de voie de façon à former, dans la bavette en fond de gorge, une échancrure longitudinale ouverte du côté de l'extrémité à raccorder; - préalablement au soudage du rail sur l'insert, on 30 usine l'extrémité à raccorder du rail de façon à former, dans la bavette en fond de gorge, une échancrure longitudinale ouverte du côté de l'extrémité à raccorder; - les étapes de soudage sont réalisées par étincelage; - les étapes de soudage sont réalisées par bombardement électronique; - ladite longueur prédéterminée est comprise entre 15 et 20 mm. On comprend que l'antenne peut être soudée, notamment par étincelage, à une ou plusieurs extrémités de coeur ou à une extrémité d'aiguille, ces pièces en acier moulé 10 austénitique ayant subi préalablement un usinage d'extrémité en fond d'ornière sur 15 à 20 mm. L'ensemble forme alors une soudure tri-métallique correspondant aux critères de certification définis par les référentiels en la matière. On peut utiliser avantageusement le procédé conforme à l'invention pour le raccordement d'un appareil de voie en rail à gorge à un réseau ferré en zone urbaine ou périurbaine, ou à un réseau ferré industriel ou portuaire. L'invention concerne également un rail à gorge pour 20 voie ferrée, du type ayant un profil présentant un champignon qui définit une surface de roulement et une bavette en saillie latérale qui définit avec le champignon une gorge, tel que la bavette est interrompue sur une section de longueur prédéterminée qui s'étend à partir de 25 l'une au moins des deux extrémités dudit rail. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses du rail à gorge suivant l'invention: - ladite longueur prédéterminée est comprise entre 15 et 20 mm; - le rail présente une échancrure longitudinale formée dans la bavette en fond de gorge, et ouverte du côté de ladite extrémité. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est une vue en perspective d'un profil en rail à gorge tel qu'il se présente avant la mise en 5 oeuvre du procédé de raccordement qui fait l'objet de l'invention; - la Figure 2 est une vue analogue du profil de la Figure 1, après l'opération d'usinage prévue dans le procédé de l'invention en fond d'ornière et sur la bavette; 10 - la Figure 3 est une vue agrandie de dessus du profil usiné de la Figure 2; - la Figure 4 représente en perspective le profil usiné de la Figure 2, et le profil spécial de la pièce intercalaire (ou insert) prête à être soudée; - la Figure 5 est une vue en perspective de l'antenne obtenue après soudage des deux pièces représentées sur la Figure 4; - la Figure 6 est une vue agrandie de dessus de l'antenne de la Figure 5; - la Figure 7 est une vue en perspective d'une partie de coeur de croisement, ayant été usinée en fond d'ornière conformément au procédé de l'invention en vue d'être soudée à l'antenne de la Figure 5; - la Figure 8 est une vue analogue d'une aiguille 25 usinée en fond d'ornière; - la Figure 9 est une vue agrandie de dessus des pièces représentées respectivement aux Figures 5 d'une part, et 7 ou 8 d'autre part, disposées en regard et prêtes à être soudées; - la Figure 10 est une vue agrandie de dessus de l'ensemble obtenu après soudage; et - la Figure Il est une vue en perspective de la zone de soudure, après raccordement de l'ensemble obtenu représenté à la Figure 9. Sur la Figure 1, on a représenté en perspective un 5 rail à gorge 1 pour voie ferrée, qui possède une direction principale longitudinale X-X orthogonale au plan de la Figure. Dans le plan de la Figure, on a représenté les deux autres axes Y-Y, Z-Z d'un système d'axes orthogonaux X, Y,Z, ces deux axes étant respectivement horizontal et 10 vertical. Le profil du rail est représenté dans sa disposition normale d'utilisation. Le rail peut aussi être à tête inclinée. Le rail comporte une base ou patin 2, destiné à reposer sur un support généralement horizontal, mais 15 pouvant être incliné. Le patin 2 définit une partie inférieure du rail, reliée, par l'intermédiaire d'une âme 3 généralement verticale, à la partie supérieure 5. L'âme 3 est ici symétrique par rapport au plan médian vertical X-Z qui définit également le plan médian du patin 2. Le rail comporte, dans sa partie supérieure 5, un champignon 7 et une bavette 9, délimitant ensemble une gorge 11. Le champignon 7 se présente comme une partie de plus grande épaisseur par rapport à l'âme 3. Il comporte 25 essentiellement une saillie latérale 13 tournée du côté opposé à la bavette 9. Sa face supérieure 15 définit une surface de roulement sensiblement plane, mais pouvant être inclinée, pour une section correspondante d'une roue de véhicule ferroviaire. La bavette 9 est formée d'une branche 18 d'extrémité libre, légèrement inclinée par rapport à la verticale, et d'une branche 19 de raccordement à la partie inférieure du champignon 7. La gorge 11 est définie par la partie creuse comprise entre la face interne ou supérieure de la bavette 9 et la face latérale du champignon 7. La gorge 11 est prévue pour recevoir une partie du 5 bandage de la roue, dénommée " mentonnet ", formée par une section cylindrique de plus grand diamètre, et destinée au guidage du véhicule. Le rail à gorge représenté sur la Figure 1 peut être de façon classique réalisé en acier au carbone. Sur les Figures 2 et 3, on a représenté le rail de la Figure 1 après une première opération d'usinage du procédé de raccordement conforme à l'invention. Le rail ainsi usiné est alors désigné par la référence numérique 20. Durant cette opération d'usinage, on enlève de la 15 matière à l'extrémité à souder du rail, de façon à supprimer la bavette 9 sur une section de longueur 1 prédéterminée, s'étendant à partir de ladite extrémité. Par cette opération, on supprime sur cette longueur 1 la partie correspondante de branche d'extrémité 18 et de branche de 20 raccordement 19. Dans l'exemple illustré, la longueur 1 est de préférence comprise entre 15 et 20 mm. De préférence, comme cela apparaît plus clairement sur la Figure 3, on pratique au cours de la même opération d'usinage une échancrure supplémentaire 21 ouverte du côté 25 de l'extrémité à souder, dans la branche de raccordement 19, en laissant subsister la partie correspondante de branche d'extrémité 18 sur cette section. Sur la Figure 4, on a illustré une deuxième phase du procédé de raccordement, durant laquelle on présente en 30 vis-à-vis du rail usiné 20 tel que représenté sur la Figure 2, une pièce intercalaire (ou " insert ") 30 destinée à assurer une liaison entre le rail 20 et un appareil de voie en acier austénitique, comme cela sera vu ultérieurement. La pièce intercalaire 30, qui peut être réalisée en acier austénitique ou en acier inoxydable de type à grain fin ou austéno-ferritique, a un profil correspondant au profil du rail 1 représenté sur la Figure 1, c'est-à-dire 5 partiellement identique. En l'occurrence, la pièce intercalaire 30 est de profil identique au profil de l'extrémité à souder du rail usiné 20, c'est-à-dire identique au profil du rail 1 privé de la bavette 9. La pièce 30 comporte donc un champignon 7', un patin 2', et 10 une âme 3', de formes identiques respectivement au champignon 7, au patin 2, et à l'âme 3 du rail 1. Ces deux éléments 20, 30 sont alors assemblés par un procédé de soudage sans apport de matière, de préférence par étincelage, en exerçant un effort axial de compression 15 mutuelle sur les deux éléments. La poussée axiale, qui est généralement de l'ordre de 100 tonnes, conjuguée à la très haute température à laquelle sont portés les éléments de rail, conduit au soudage par fusion des deux éléments 20, 30 accompagné d'une perte sensible de matière aux 20 extrémités soudées des deux éléments. D'autres types de soudage peuvent également être envisagés tels que le soudage par bombardement électronique. L'ensemble ainsi formé, appelé " antenne ", a été représenté sur les Figures 5 et 6 sous la référence 40. Sur ces Figures, on constate que la ligne de raccord 23 entre le premier et le deuxième élément, du fait des pertes de matière mentionnées cidessus, est sensiblement au même niveau que le plan vertical 24 de limite d'usinage de la branche d'extrémité 18 de la bavette 9. Cette ligne 30 de raccord 23 est située à l'intérieur de la section longitudinale d'échancrure 21. L'antenne 40 ainsi constituée pourra être utilisée pour être raccordée à un élément d'appareil de voie, tel qu'un coeur de croisement, de traversée ou d'aiguille. Les étapes du procédé permettant de réaliser ce 5 raccordement vont à présent être décrites en référence aux Figures suivantes. Sur la Figure 7, on a représenté une partie de coeur de croisement 50, dont les branches 51A, 51B présentent chacune un profil identique à celui du rail 1 de la Figure 10 1. Ce coeur de croisement 50 est réalisé de façon classique en acier austénitique, avec une teneur en manganèse de 12 à 14%, ayant subi un traitement métallurgique d'hypertrempe avec ou sans pré-écrouissage. En vue de raccorder les extrémités du coeur 50, et à 15 titre d'exemple l'extrémité de la branche 51A, on a usiné l'extrémité à raccorder de la branche 51A de la façon suivante: on forme une échancrure longitudinale 71 dans la bavette 59, en fond de gorge 61, cette échancrure étant ouverte du côté de l'extrémité à raccorder. Dans cet 20 exemple de réalisation, seule la branche de raccordement, c'est-à-dire le fond de gorge, est usinée, tandis que la branche d'extrémité est conservée. Comme dans le cas du soudage du rail 20 sur la pièce intercalaire 30, l'usinage de l'extrémité de la branche 51A 25 permettra de souder par étincelage celle-ci sur l'antenne 40. En effet, la zone de contact entre les éléments de rail 40, 51, durant l'opération de soudage, est limitée à des parties symétriques, en l'occurrence les patins 2', 52 et les âmes 3', 53, et à des parties relativement massives, à 30 savoir les champignons 7', 57. Sur la Figure 8, on a représenté en perspective une aiguille qui a été usinée en fond d'ornière en vue d'être soudée à l'antenne représentée sur la Figure 5. L'antenne 150 définit une branche à souder, usinée de la même façon que ce qui a été décrit pour la branche de coeur, en référence à la Figure 7. C'est pourquoi les références numériques définissant la branche à souder 51A 5 et son profil sont les mêmes pour l'antenne et pour le coeur 50 de la Figure 7. Dans tout ce qui suit, l'élément d'appareil de voie à souder à l'antenne 40 pourra être indifféremment la branche 51A du coeur de croisement 50 ou de l'aiguille 150. Les deux éléments d'appareil de voie à souder 40, 51A ont été représentés sur la Figure 9 en position alignée en vis-à-vis, les éléments d'appareil de voie étant prêts à être soudés. Ces éléments d'appareils de voie 40, 51A sont 15 raccordés par soudage de la même façon que ce qui a été décrit pour le rail 20 et la pièce intercalaire 30, en référence aux Figures 4 et 5. Il s'ensuit une perte de matière à l'extrémité soudée de chaque élément 40, 51A, comme cela a déjà été expliqué 20 précédemment. Le nouvel ensemble formé 80 a été représenté sur les Figures 10 et 11, la Figure 10 montrant plus particulièrement la zone de soudure. Il faut noter que les extrémités en vis-à-vis de la bavette 9 du rail, et de la 25 bavette 59 de la branche 51A du coeur, sont quasiment jointives avec un jour e, typiquement de quelques millimètres. En effet, la longueur de la pièce intercalaire 30 est choisie en fonction de la section du profil à souder, et des conditions de mise en oeuvre de l'opération 30 de soudage, de telle sorte que le jour e soit suffisamment faible pour ne pas constituer une discontinuité de guidage, ni générer de nuisances sonores. On notera également que les échancrures 21, 71, respectivement de l'antenne et du coeur ou de l'aiguille, définissent ensemble, une fois le raccordement effectué, une ouverture oblongue dans la gorge 11, 61 de l'assemblage 5 ainsi formé. Cette ouverture 21, 71 définit une excavation permettant le drainage des eaux de ruissellement, et leur récupération au niveau des zones de raccordement. On comprend que le procédé de raccordement qui a été décrit, et qui comporte des opérations d'usinage préalables 10 à des opérations de soudage, permet de raccorder des éléments en rail au carbone de type à gorge sur des éléments d'appareil de voie en acier austénitique, tel qu'un coeur de croisement ou une aiguille. Un tel procédé est particulièrement intéressant pour raccorder, par 15 l'intermédiaire d'une pièce intercalaire, un rail à un élément d'appareil de voie en alliages métalliques différents et/ou ayant subi des traitements métallurgiques différents, par exemple une hypertrempe ou un écrouissage. Un tel procédé permet d'apporter les avantages du 20 raccordement par soudage entre un rail et un appareil de voie dans les réseaux ferrés utilisant des profils à gorge, comme c'est le cas dans les réseaux ferrés urbains (tramways) ou de type industriel ou portuaire. REVENDICATIONS 1. Procédé de raccordement d'un rail à gorge (1) en acier au carbone à un élément d'appareil de voie en acier austénitique (51A), tel qu'une branche de coeur de 5 croisement (50) ou une aiguille (150), ledit rail (1) ayant un profil présentant un champignon (7) qui définit une surface de roulement (15) et une bavette (9) en saillie latérale qui définit avec le champignon (7) une gorge (11), et ledit élément d'appareil de voie (51A) ayant un profil à 10 gorge au moins partiellement identique, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: - usiner l'extrémité à raccorder du rail, de façon à supprimer la bavette (9) sur une section de longueur (1) prédéterminée s'étendant depuis l'extrémité à raccorder du 15 rail; - souder l'extrémité du rail (20) ainsi usinée à un insert (30) de profil au moins partiellement identique, de façon à former une antenne (40); et - souder ladite antenne (40) à l'élément d'appareil de 20 voie (51A). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, préalablement au soudage de l'antenne (40) sur l'élément d'appareil de voie (51A), on usine l'extrémité à raccorder dudit élément d'appareil de voie (51A) de façon à 25 former, dans la bavette (59) en fond de gorge (61), une échancrure longitudinale (71) ouverte du côté de l'extrémité à raccorder. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, préalablement au soudage du rail (1) sur 30 l'insert (30), on usine l'extrémité à raccorder du rail de façon à former, dans la bavette (9) en fond de gorge (11), une échancrure longitudinale (21) ouverte du côté de l'extrémité à raccorder. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les étapes de soudage sont réalisées par étincelage. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 5 à 3, caractérisé en ce que les étapes de soudage sont réalisées par bombardement électronique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite longueur prédéterminée (1) est comprise entre 15 et 20 mm. 7. Rail à gorge pour voie ferrée, du type ayant un profil présentant un champignon (7) qui définit une surface de roulement (15) et une bavette (9) en saillie latérale qui définit avec le champignon (7) une gorge (11), caractérisé en ce que la bavette (9) est interrompue sur 15 une section de longueur (1) prédéterminée qui s'étend à partir de l'une au moins des deux extrémités dudit rail. 8. Rail selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite longueur prédéterminée (1) est comprise entre 15 et 20 mm. 9. Rail selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il présente une échancrure longitudinale (21) formée dans la bavette (9) en fond de gorge (11), et ouverte du côté de ladite extrémité.