Brevet FR2864117A1 — publié le 20050624

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 appareils 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 S coeurs de croisement, les plus fréquents, le franchissement par les roues de convois ferroviaires de la zone où 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 carbone, via des 1d 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 '45- 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 ZO 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 25 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 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, fe 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 que le flanc de bandage ne vienne talonner en fond d'ornière, cette usure n'affecte cependant qu'une épaisseur très limitée, de l'ordre 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 d'une dizaine 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 3ç mâchoires: dans ce cas en effet, les pièces en'acier à haute teneur en manganèse utilisées peuvent être usées de manière beaucoup 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 couche d'acier à haute teneur en manganèse avec des additifs spéciaux pour faciliter cette opération sans générer de défauts, 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. 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-thermique 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 as 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 préjudiciable 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), la rénovation n'est pas entreprise car 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 3 0 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 de I' emplacement 3S 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+1-0,5% en manganèse, 3+1-0,5% en nickel, 1+1-0,5% 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 d'une marge de sécurité.Si cela arrive, on S 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, I O - 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'utilisation d'un robot de soudure programmé; cet équipement, 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. A5- Les 3 aspects fondamentaux de cette soudure à l'art 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, - les cordons doivent être courts (5 à 8 cm maximum) pour limiter les tensions au retrait et les arcs courts à 2O 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. - le métal d'apport, en électrodes pour soudage manuel ou en fil pour soudage MIG semi-automatique, a une teneur pondérale de 13+1-0,5% en manganèse, 3+1-0,5% en nickel, 1+1-0,5% en molybdène et une teneur en carbone inférieure ou égale à 0,8%; le nickel et le molybdène favorisent la stabilité de la structure austénitique du métal déposé; 2.5 le carbone moins élevé que dans le métal de base diminue le risque de criques. 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. 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 3S manganèse déposé , ayant un grain fin, tient au moins aussi bien que le métal de base. - 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. S 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 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 40 maximum) et les surfaces à réusiner sont faibles, ce qui explique le coût moindre par rapport à un coeur neuf. 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 même nature que le métal de base sur les zones d'usure suivi d'un usinage ou meulage des zones rechargées pour remise aux caractéristiques dimensionnelles identiques à celles du coeur neuf d'origine. 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 lcaractérisé en ce que le dit procédé comprend un arrosage à l'eau de la 40 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%+/- 0,5% en manganèse, 3%+1- 0,5% en nickel, 1%41- 0,5% en molybdène et une teneur en carbone inférieure ou égale à 0,8%.