Brevet FR2864118A1 — publié le 20050624

t La présente invention se rapporte à un procédé de rénovation des coeurs de croisement ou de traversée. Ces pièces sont, avec les aiguilles auxquelles elles sont associées dans la constitution des apparus de voie, les principales pièces d'usure des réseaux ferroviaires. Les coeurs permettent soit, pour les coeurs de traversée, le croisement de deux voies distinctes, soit, pour les coeurs de croisement, les plus fréquents, le franchissement par les roues de convois ferroviaires de la zone aù voie déviée d'un côté de roulement et voie principale de l'autre côté de roulement se croisent dans un appareil de voie. La technologie qui donne les meilleurs résultats en termes de sécurité, de durée de vie et de coût est un coeur de voie dit coeur soudé constitué d'une pièce moulée en acier à haute teneur en manganèse du type acier Hadfield - dont les quatre extrémités sont soudées à des antennes, c'est à dire des tronçons de rail en acier au A d carbone, via des inserts en acier austéno-ferritique à bas carbone. Le choix d'un matériau en acier à haute teneur en manganèse est lié aux propriétés remarquables de résistance aux chocs et à l'usure par l'aptitude à l'écrouissage et au durcissement superficiel tout en conservant ténacité et souplesse pour un coût qui reste cependant modéré. Le coeur ainsi réalisé est raccordé en voie au reste du réseau par 4 soudures alumino-thermiques ( d'où son A appellation de coeur soudé). Cette technologie remplace de plus en plus la liaison d'un coeur en acier moulé à haute teneur en manganèse avec le réseau via des éclissages, car les détériorations des portées et des trous d'éclissages d'une des 4 extrémités du coeur étaient souvent une des causes de remplacement des coeurs et par ailleurs la continuité métallique d'un coeur soudé avec le reste du réseau améliore le confort de roulement et la sécurité de transmission d'informations de nature électrique. Avec les progrès de santé interne réalisés ces dernières années sur la partie moulée des coeurs, la durée de vie moyenne en voie a notablement progressé malgré l'accroissement du trafic, de la vitesse et des charges: actuellement, la cause majeure de remplacement des coeurs soudés dans un réseau est due à l'usure, usure qui est principalement localisée sur la pointe du coeur et les pattes de lièvre. Pour expliciter ces zones d'usure, la figure n 1 représente une vue perspective d'un coeur de croisement, type de coeur à une seule pointe beaucoup plus fréquent que le coeur de traversée qui comporte lui 2 pointes: la zone repérée 100 est la pointe du coeur ou 'abaissement de pointe' et les 2 pattes de lièvre forment la zone repérée 200. Pour des raisons de sécurité de fonctionnement liées à la nature géométrique d'un coeur, le franchissement de la lacune devant se faire avec une retombée de la roue de convoi dans la zone de pointe, du bon côté et en évitant IO que le flanc de bandage ne vienne talonner en fond d'ornière, cette usure n'affecte cependant qu'une épaisseur très limitée, de rordre de quelques millimétrés à un ou deux centimètres, dans des zones limitées de la pièce. Lors du démontage pour remplacement d'un coeur soudé, la partie qui a été enlevée par usure ne représente donc qu'une très faible partie - moins de quelques dizaines de kilogramme environ - du poids initial de la pièce moulée, supérieur à la tonne. Cette limitation d'usure différencie très nettement cet usage de l'acier à haute teneur en manganèse d'un autre usage bien connu de cet acier, les pièces d'usure de concasseurs giratoires et broyeurs à mâchoires: dans ce cas en effet, les pièces en acier à haute teneur en manganèse utilisées peuvent être usées de manière beaucoup plus accentuée avant démontage de remplacement. La présente invention concerne un procédé permettant de rénover, pour un coût nettement inférieur à celui d'un coeur soudé neuf, un coeur soudé usagé et ceci avec toutes les garanties de sécurité nécessaires pour sa réutilisation dans des conditions identiques à celles d'un coeur neuf. $ Le procédé consiste en un rechargement par soudure homogène à l'arc électrique et dépôt d'une ou plusieurs couches d'acier à haute teneur en manganèse avec des additifs spéciaux et une procédure de dépôts de cordons de soudure très courts et selon un axe transversal au coeur pour garantir l'absence de déformation du coeur et l'absence de formation de défauts fissurants dans le métal de base sous-jacent, suivi d'un usinage de remise aux caractéristiques géométriques d'origine. Cette rénovation ne peut être pratiquée en voie pour 2 raisons essentielles: la durée de l'opération, trop longue et qui se traduirait par une immobilisation trop onéreuse en voie et la spécificité de la soudure homogène de l'acier à haute teneur en manganèse qui nécessite des précautions et des modes opératoires peu compatibles avec une intervention en voie et in situ. Des procédés de rechargement des zones usées des coeurs ont été décrits; ces procédés, en recherchant une productivité unitaire maximale du dépôt de soudure, utilisent des dépôts de cordons longitudinaux, sans limitation de la longueur des cordons unitaires déposés autre que la longueur de zone à recharger. Le coeur est maintenu, durant les opérations de soudure, dans un bain d'eau de niveau légèrement en dessous des zones à souder. Cette méthode présente plusieurs inconvénients: - une déformation longitudinale importante du coeur, voire un vrillage, lors du retrait de refroidissement des cordons de soudure. Ce cintrage est compensé soit par une pré-déformation du coeur, avant et pendant soudure, dans le sens 'convexe' inverse au sens de déformation 'concave' généré lors du refroidissement des cordons de soudure longitudinaux soit par des entailles transversales faites dans les parties semelles et flancs latéraux du coeur voire des coupes transversales complètes qui sont ensuite ressoudées après redressage longitudinal du coeur. Ceci entraîne soit des systèmes complexes de fixation et de pré-déformation des coeurs pas toujours fiables soit des opérations 2 5 supplémentaires de soudure et de redressage non négligeables. Ces opérations soumettent le coeur à des contraintes de déformation au delà de la limite élastique qui sont défavorables à sa tenue en service. - une absence d'hypertrempe à l'eau du cordon de soudure déposé; la présence d'un bain d'eau de niveau légèrement en dessous des zones soudées assure une meilleure évacuation de chaleur et évite un échauffement préjudiciable au métal de base mais n'assure pas une hypertrempe à l'eau dis cordon de métal déposé puisque ce dépôt est effectué au dessus du niveau de l'eau; la structure austénitique du métal à haut manganèse déposé n'est donc pas, après refroidissement, garantie. - un fort risque de formation de fissures dans le métal de base, malgré le maintien à basse température par le bain d'eau, dû aux contraintes de retrait lors du refroidissement des cordons de soudure. Sur une grande longueur de cordon, ces contraintes peuvent localement dépasser la limite de npture du métal de base; un cordon de 200mm de 35. long déposé en une passe de soudure, ce qui n'est pas élevé en comparaison avec la longueur des zones usées à d10 -4 5 recharger, va se rétracter d'environ 5mm jusqu'à son refroidissement complet ce qui correspond à des efforts localisés de traction considérables sur le métal de base. Le procédé décrit ci-après évite ces trois inconvénients majeurs; il ne nécessite pas de système complexe de fixation très rigide et/ou de prédéformation du coeur et garantit une structure austénitique au métal à haut manganèse S déposé ainsi qu'une absence de risque de formation de fissures dans le métal de base. Sa productivité unitaire - le temps de rechargement de toutes les zones usées - est certes plus faible que celle des procédés précédents mais ceci est largement compensé par l'absence d'opérations de pré-déformation ou de création puis de ressoudure d'entailles, par la simplicité des systèmes de fixation et de manutention du coeur à hauteur de travail et par la possibilité de travailler en atelier alternativement sur plusieurs coeurs à la fois en passant de l'un à l'autre pour assurer détente et 4 0 refroidissement. Un exemple de réalisation préférentielle mais non limitative est donné ciaprès: - la première opération de démontage en voie est réalisée en tronçonnant la soudure alumino-themmique de chaque antenne de façon à garder des dimensions d'antennes rigoureusement identiques à celles du coeur neuf, avec soit un jet d'eau haute pression ( supérieure à 1000 bars) ou avec une disqueuse muni d'un disque carbure fin avec X15 arrosage liquide: ces 2 dispositifs correctement utilisés ont une découpe très nette, minimisent l'épaisseur du trait de découpe et ne créent pas d'échauffement préjudciable à la structure métallurgique du rail. - le coeur usagé démonté est amené en atelier où il subit un décapage complet de sa surface extérieure et intérieure (zone en regard avec le sol en position de service); un sablage est préférable à un grenaillage. Ce décapage est suivi d'un ressuage complet pour examen de la santé superficielle et en particulier l'absence de fissures; ce défaut est une discontinuité linéaire qui ne doit pas être confondu avec d'autres défauts mineurs ne correspondant pas à une déchirure du métal: la lecture de l'examen de ressuage doit donc être faite soigneusement par un professionnel de l'acier à haute teneur en manganèse. En cas de fissures trop prononcées (longueur individuelle supérieure à 10 cm et/ou longueur cumulée supérieure à 70 cm, profondeur supérieure aux trois quarts de l'épaisseur locale), la rénovation n'est pas entreprise car ZS ces fissures démarrent en général sur des défauts de fonderie tels que retassure interne non débouchante avec ségrégation et la réparation est de ce fait difficile avec un taux de réussite de l'ordre de 50%. De même, des analyses non destructives de teneur en phosphore dans différentes zones du coeur et notamment les zones à recharger sont réalisées avec un spectromètre portable correctement et régulièrement réétalonné; la rénovation des coeurs avec des teneurs pondérales en phosphore supérieures à 0,035% dans les zones à recharger n'est pas entreprise car le risque de défaut de soudure lié à la présence de cet élément qui fragilise l'acier à haute teneur en manganèse est trop important au delà de cette teneur. - les fissures détectées et jugées réparables sont réparées: l'ouverture est agrandie par meulage pour accéder au fond du défaut et régulariser son tracé; aux 2 extrémités de la fissure, avec un forêt en carbure, on perce 2 avant-trous non débouchants et peu profonds qui servent de' point d'arrêt' du défaut. Compte tenu del' emplacement 3 aléatoire des défauts, on procédera de préférence à un soudage à l'arc manuel, en position 'à plat", en utilisant des électrodes de composition pondérale 13 -11+6% en manganAse, 3 -0,51+1,5% en nickel, 1-0,5/+0,7% en molybdène et à teneur en carbone inférieure ou égale à 0,8%, avec des arcs courts et une intensité la plus faible possible. La température du métal autour de la soudure, contrôlée par exemple au moyen de craie thermo-chrome ou tout autre moyen similaire, ne doit pas dépasser 80 C, compte tenu dune marge de sécurité. Si cela arrive, on interrompt la soudure et on refroidit celle-ci en pulvérisant un gaz neutre froid tel par exemple que de l'azote en provenance d'une bouteille d'azote liquide. Le bain liquide d'arc sera le plus petit possible, afin de limiter l'énergie apportée au cordon de soudure à moins de 20 kJ par centimètre de cordon. Une fois la soudure terminée et refroidie à l'air ambiant, celle-ci est meulée si elle a été faite dans une zone non à recharger et circulée par les roues de convois ferroviaires, sinon elle peut être laissée sans ragréage. - Les zones usées à recharger sont ensuite usinées à faible vitesse de coupe pour uniformiser la surface de départ et enlever si possible la zone écrouie martensitique. L'uniformisation de surface de départ sert essentiellement pour faciliter l'utifiisation d'un robot de soudure programmé; cet égluipement, non absolument nécessaire, apporte cependant une très forte garantie de respect des schémas calculés d'enchaînements de passes, des vitesses d'avance et de l'énergie de soudure. Les 4 aspects fondamentaux de cette soudure à l'arc homogène sont: - la température du métal autour du cordon de soudure qui ne doit jamais dépasser 100 C: il faut donc la contrôler, soit au moyen de craies thermochromes soit par mesure de température infrarouge et si nécessaire refroidir énergiquement par projection d'eau froide du côté opposé à la surface en cours de rechargement. - Pour éviter la déformation et minimiser les tensions au retrait sur le métal de base, les soudures de rechargement sont faites sur de petites longueurs (8cm maximum), 'l'axe' de dépôt de ces cordons de soudure est impérativement transversal et la forme du cordon lorsque sa longueur dépasse 4cm est celle d'un 's' à très grand rayon de courbure. Les cordons de soudure ne sont pas juxtaposés et on laisse un espacement latéral d'environ 3 fois la largeur du cordon(soit environ 12 à 20mm) entre chaque cordons successifs. Puis on ne revient juxtaposer, avec un certain recouvrement classique en soudure, un nouveau cordon à côté du premier cordon déposé que lorsque celui-ci est totalement refroidi à la température ambiante. Cette procédure garantit l'absence de déformation: la forme géométrique des coeurs leur assure en effet une rigidité dans le sens transversal très supérieure à la rigidité dans le sens longitudinal. Les tensions sur le métal de base dues au retrait lors du refroidissement des cordons sont très faibles car les longueurs de cordons déposés sont très courtes. Un exemple de schéma d'enchaînement des cordons est illustré sur la figure n 2 pour une portion de zone à recharger. Ces zones sont essentiellement la zone triangulaire dite 'de pointe' ou 'd'abaissement de pointe' dont les dimensions approximatives à recharger sont de 1m de long pour 10 à 15cm de largeur maximum à sa base, et les zones rectilignes ou quasi rectilignes de 'pattes de lièvre' sur des longueurs dr approximativement lm et 5 à 6cm de largeur. Pour la commodité de compréhension, sur cette figure n 2, seuls sont représentés les 'axes' des cordons de dépôt, leur largeur réelle correspondant à une couverture complète de la surface à recharger entre chaque axe de cordon. Les cordons 'a' - symbolisés sur la figure n 2 par un trait continu - sont déposés en premier, par exemple de la W 2-S gauche vers la droite, avec un espacement d'environ 3 fois la largeur de cordon, puis lorsque les cordons 'a' sont à la température ambiante, les cordons b'- symbolisés sur la figure n 2 par un trait discontinu - sont déposés entre chaque cordon 'a' et en reprenant le même ordre de dépôt, c'est à dire de gauche à droite. Les cordons 'c' - symbolisés sur la figure n 2 par - sont déposés entre les cordons 'a' et 'b', dans 5- l'ordre de gauche à droite, lorsque les cordons 'a' et b' sont à température ambiante, assurant ainsi avec le recouvrement classique en soudure la création de surfaces 'abc'. Enfin, lorsque les surfaces 'abc' sont à température ambiante, les cordons 'd' symbolisés sur la figure n 2 par' ' - sont déposés entre les surfaces 'abc', dans l'ordre de gauche à droite, assurant ainsi un recouvrement complet de la zone usée à recharger. Au cas où plusieurs couches de dépôts sont nécessaires pour retrouver et dépasser les côtes d'origine d'un 0 coeur non usé, la deuxième couche et/ou les autres couches successives sont déposées suivant une procédure identique. - Les arcs sont courts et à faible intensité, ce qui induit un bain d'arc faible, ceci afin de respecter une énergie d'apport inférieure à 20 kJ par centimètre de cordon déposé; cette énergie se contrôle en continu par mesure de la tension et de l'intensité d'arc. Â5 - le métal d'apport, en électrodes pour soudage manuel ou en fil pour soudage MIG semi-automatique, a une teneur pondérale de 13 -11+6% en manganèse, 3 -0,51+1,5% en nickel, 1-0,51+0,7% en molybdène et une teneur en carbone inférieure ou égale à 0,8%; la teneur en nickel supérieure à 2, 5% assure une structure austénitique du cordon de métal déposé lors du refroidissement à l'air et le nickel et le molybdène favorisent la stabilité de la structure austénitique du métal déposé; le carbone moins élevé que dans le métal de base diminue le risque de criques. ZO La soudure se fait donc dans des conditions relativement lentes par comparaison avec la soudure d'autres aciers plus facilement soudables; elle doit même être souvent interrompue pour laisser la pièce se détendre et se refroidir mais ceci n'est pas trop gênant car on peut, en atelier, travailler sur plusieurs coeurs à la fois. Les coeurs sont disposés sur des tréteaux rotatifs afin que la surface en cours de rechargement soit toujours en position 'à plat' pour la soudure en cours et la surface opposée à la surface en cours de rechargement soit arrosée par d'énergiques jets d'eau froide pour limiter l'échauffement du métal de base. Pour avoir une fixation permettant une pose et dépose du coeur avant et après les travaux de soudure très facile et rapide, les tréteaux rotatifs seront avantageusement placés prés des extrémités moulées du coeur, la où le profil est identique à celui d'un rail et par conséquent d'une hauteur constante pour un type de rail. La fixation du coeur sur les tréteaux rotatifs se fait par des attaches rapides classiques, telles que par exemple les sangles à cliquet utilisées pour l'arrimage des charges sur les plateaux de camions. Lorsque les soudures de rechargement sont terminées et après refroidissement complet à la température ambiante, on usine ou on meule les surfaces rechargées pour obtenir des surfaces géométriques identiques à celles d'un coeur neuf; un pré-écrouissage de la pointe et des pattes de lièvre peut ensuite être réalisé, par pressage notamment. La structure de l'acier à haute teneur en manganèse déposé , ayant un grain fin, tient au moins aussi bien que le métal de base. 3 S - les zones rechargées sont ensuite radiographiées et ressuées pour s'assurer de l'absence de tout défaut interne ou externe. Le coeur rénové peut alors être utilisé en voie dans les mêmes conditions qu'un coeur neuf et ceci pour un coût bien moindre que celui d'un coeur soudé neuf. En effet, les coeurs non rénovables (défauts linéaires individuels de plus de 10cm, défauts linéaires cumulés de plus de 70cm, teneur pondérale en phosphore dans les zones à recharger supérieure à 0,035%) sont détectés très S en avant dans le processus, avant que les opérations les plus longues et les plus coûteuses ne soient engagées. Pour les coeurs rénovables, malgré les soins nécessaires et les faibles vitesses de dépôt de métal pour assurer un soudage de qualité sans défauts, les quantités à déposer sont faibles (quelques dizaines de kilogrammes au maximum) et les surfaces à réusiner sont faibles, ce qui explique le coût moindre par rapport à un coeur neuf. 4O AS 7 revendications 1)procédé de rénovation d' un coeur de voie en acier austénitique à haute teneur en manganèse caractérisé en ce que le dit procédé comprend un rechargement par soudure homogène à l'arc électrique d'un métal de méme nature que le métal de base sur les zones d'usure, avec dépôt des cordons de soudure transversalement à l'axe longitudinal du coeur, suivi d'un usinage ou meulage des zones rechargées pour remise aux caractéristiques dimensionnelles identiques à celles du coeur neuf d'origine et d'un préecrouissage par compression. 2) procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dit procédé comprend au préalable un démontage en voie par tronçonnage des antennes au niveau des soudures alumino-thermiques de raccordement sur le réseau, tronçonnage réalisé par jet d'eau très haute pression - supérieure à 1000 bars - ou par disqueuse avec disque carbure fin et arrosage liquide. 3) procédé selon la revendication 1caractérisé en ce que le dit procédé comprend un arrosage à l'eau de la surface inférieure du coeur durant les opérations de dépôt de cordon de soudure sur les zones circulées usées du coeur. 4) procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dit procédé utilise pour le métal de rechargement, électrode ou fil, une composition pondérale de 13 -11+6% en manganèse, 3 -0,51+1,5% en nickel, 1-0,5/+0,7% en molybdène et une teneur en carbone inférieure ou égale à 0,8%.