SOUDER DES RAILS:
SIMPLE EN THEORIE, DIFFICILE EN PRATIQUE

Le soudage des rails recourt au soudage aluminothermique

Les chemins de fer belges sont souvent soumis à rude épreuve et ceci peut entraîner des rails endommagés et des retards des trains. Une méthode très utilisée pour assembler des rails de train est le soudage aluminothermique, connu comme soudage à la thermite ou soudage exothermique. Dans cet article, vous saurez comment une telle soudure est préparée, exécutée et quels sont les erreurs et les risques les plus fréquents.

QU’EST-CE QU’UNE SOUDURE ALUMINOTHERMIQUE?

Le soudage aluminothermique est un processus de soudage en vertu duquel un assemblage soudé est réalisé au moyen d’une réaction aluminothermique qui se crée par un mélange chimique de substances poudreuses. Le processus recourt à une réaction exothermique d’une composition de thermite pour chauffer le métal et n’exige aucune source de chaleur ou courant externe. La réaction chimique est une réaction entre une poudre d’aluminium et l’oxyde de fer. Le résultat est que vous obtenez la formation de fer et le produit de déchet oxyde d’aluminium. Le grand avantage d’une soudure aluminothermique est que la contraction est très contrôlable. Si vous coulez une soudure, la contraction thermique se fait toujours de la même manière. Vous obtenez un tassement très prévisible.

Rails

Le soudage aluminothermique est généralement effectué sur des rails de train classiques mais les rails de tram et les profilés spéciaux sont également abordés. Chaque année, quelque 15.000 soudures aluminothermiques sont exécutées sur des rails de train. Les rails ont une teneur en carbone de 0,7. Cela veut dire qu’ils ont une limite d’élasticité assez élevée. Une erreur dans un rail grandit en une déchirure assez grande pour faire se briser un rail. La plupart des erreurs sont extraites mais quand ce n’est pas le cas, vous pouvez avoir des cassures de rail. Cela implique que vous devez prendre des précautions spéciales lors du soudage de rails.

PROCEDE DE SOUDAGE

Dans le soudage aluminothermique, une foule de facteurs influencent la qualité de la soudure. La soudure est exécutée par un opérateur. Le travail de soudage manuel n’est pas très conséquent mais la préparation et l’exécution sont bel et bien décrites en détails. Les opérateurs reçoivent une formation avec les instructions et les étapes à suivre. Si celles-ci sont suivies de façon correcte, vous obtenez une soudure de bonne qualité.

Préparation

Pour une soudure, deux parties de rails doivent être réunies. Le plus souvent il s’agit d’une ancienne partie et d’une nouvelle partie de remplacement. Celles-ci sont sciées et juxtaposées. La nouvelle partie est soudée à un ancien rail. Les deux rails sont un peu relevés pour obtenir un meilleur ajustement. Ainsi vous avez plus de masse dans la tête que dans le pied. Quand la soudure se refroidit, le rail descend un peu, de telle sorte que le rail est correctement horizontal.

Les gabarits utilisés pour le soudage aluminothermique sont réalisés en matériau céramique avec la forme du rail dedans. Ceux-ci sont placés sur le rail et doivent être bien alignés. L’espace entre le gabarit et le rail est rempli de sable ou d’une sorte de pâte pour l’étanchéité. Lorsque le gabarit est en place, le préchauffage peut commencer. Dans le soudage aluminothermique, ce réchauffage se fait par une source externe, à savoir le propane. L’acier doit être échauffé à quelque 700 °C. Comme il est difficile de mesurer la température, on travaille avec des temps d’attente. Après environ 5 minutes, l’acier a atteint la bonne température.

Exécution

Après le préchauffage, le creuset avec le chargement de thermite est déposé sur le gabarit. La thermite n’est pas considérée comme un produit dangereux parce qu’elle n’est pas inflammable en principe. Il vous faut une très haute température pour l’initier. Cela se fait encore provisoirement avec une barre de magnésium mais on envisage de plus en plus l’allumage électrique de la réaction aluminothermique. La raison en est qu’il faut un permis spécial pour le transport des barres de magnésium.

En raison des hautes températures dans le creuset de fonte – quelque 3.000 °C –, environ 11 kilogrammes d’acier liquide se forment. Cela coule dans le gabarit, parvient dans le pied le long des côtés et remonte ainsi. Le processus qui est ici le plus utilisé fait en sorte que l’acier remonte le long du pied.

Lorsque tout l’acier s’est écoulé, on doit tenir compte de certains durées.

Avant tout, le temps requis pour couper le matériau excédentaire avec une cisaille hydraulique. Cela ne peut pas se faire trop tôt parce que vous avez encore de l’acier liquide mais vous ne pouvez pas non plus trop attendre. Quand cela est entièrement solidifié, vous ne le traversez plus.

Au moment où vous avez suffisamment attendu, il est temps d’ébavurer le rail juste soudé. C’est déjà possible après quelques 10 minutes. Après l’ébavurage, le rail est prêt à l’emploi. Quarante-cinq minutes seulement après la fin de la soudure, les trains peuvent déjà circuler par-dessus.

Contrôle et durée de vie

Il est difficile de savoir si la soudure est bonne ou pas. C’est pourquoi on contrôle de deux manières, à savoir l’inspection visuelle et l’inspection géométrique. On examine notamment la présence de déchirures ou de porosité, si tout est propre et si l’alignement et la hauteur sont corrects.

La durée de vie de la soudure est normalement aussi longue que la durée de vie d’un rail de train. En Belgique, en moyenne 25 ans mais cela dépend aussi de la fréquence d’utilisation des lignes ferroviaires où se trouvent les rails. Si le trafic journalier est important, comme sur la ligne ferroviaire entre Bruxelles et Anvers, il se peut que le rail ne dure que 15 ans. Mais sur certaines lignes ferroviaires peu fréquentées, on utilise encore des rails datant des années 70.

CONCLUSION

Le soudage aluminothermique est une méthode très utilisée pour souder des rails ensemble. Cela semble simple de suivre toutes les étapes mais de nombreux problèmes peuvent surgir. Mais si tout se passe bien pendant la soudure, vous avez une soudure qualitative qui est en mesure de durer de nombreuses années.

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ERREURS TRES FREQUENTES

Le processus du soudage aluminothermique semble simple à suivre mais pourtant quelques erreurs ou problèmes fréquents se produisent.

Temps d’ébavurage

L’une des erreurs les plus délicates possibles dans le soudage exothermique est la mauvaise estimation des temps d’ébavurage. Si l’ébavurage commence trop tôt, vous pouvez vous heurter à de l’acier liquide, ce peut créer des déchirures. Mais si l’on attend trop longtemps, il est possible que l’acier est déjà si dur qu’on ne peut plus le traverser avec la machine.

Etanchéité

Lorsque les gabarits sont placés autour d’un rail, il reste toujours un peu d’espace entre le gabarit et le rail. Ces espaces sont colmatés avec soit du sable, soit une sorte de pâte spéciale. Le sable doit être bien tassé afin d’optimiser l’étanchéité. Si cela n’est pas le cas, ou si le sable contient des pierres, la soudure échouera. Par exemple, de l’acier liquide peut s’échapper. L’erreur n’est pas toujours l’apanage du soudeur lui-même. Parfois il arrive que le fournisseur du sable ait un problème de qualité (comme les pierres dans le sable).

Alignement

L’alignement des rails est important car les tolérances équivalent à seulement quelques millimètres. C’est pourquoi c’est une affaire de spécialistes. Les rails sont détachés sur quelques traverses et puis remis en place. Puis les gabarits sont déposés par-dessus et le reste de la soudure est effectué. Si l’alignement n’est pas bien exécuté, l’acier liquide risque de s’échapper. Ceci est aussi appelé une coulée.

Coulées

Dans le cas où l’alignement n’est pas bien exécuté ou si les gabarits ne sont pas bien placés, vous avez des coulées. Une belle quantité d’acier liquide veut s’échapper du gabarit. Si cela arrive, il ne vous reste qu’une chose à faire: vous rendre vers un endroit sûr et attendre. Tenter d’éteindre n’aide pas. L’acier liquide peut avoir une mauvaise réaction avec l’eau et cela accroît le risque de brûlures. Dans le cas de coulées, la soudure échoue, ce qui obligera de remplacer la partie complète du rail.

Humidité

L’humidité est souvent un grand problème dans le soudage aluminothermique et se produit surtout avec la pluie. Cela arrive souvent par l’ouverture trop précoce du gabarit emballé, qui reste un moment sous la pluie. Le préchauffage empêche le rail et le gabarit de sécher. L’humidité dans un matériau céramique est un grand problème mais facile à éviter en n’ouvrant pas trop vite l’emballage du gabarit.

Rails plus propres

Avant de commencer le soudage, les rails doivent être propres. Un peu de rouille ne cause pas de tort mais d’autres oxydes peuvent poser problème. Lorsque les rails sont coupés au moyen d’un chalumeau, vous avez des oxydes à la surface. Les oxydes ont un point de fusion nettement plus élevé que celui de l’acier.

Ceux-ci forment une barrière qui entravent une bonne pénétration. Pour cette raison, le coupage des rails chez Infrabel est obligatoirement exécuté avec une tronçonneuses munie de disques abrasifs.