WO2018015649A1 - Procede et dispositif de controle du prechauffage d'une zone d'un rail avant une soudure alumiothermique - Google Patents

Procede et dispositif de controle du prechauffage d'une zone d'un rail avant une soudure alumiothermique Download PDF

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WO2018015649A1
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preheating
temperature
rail
welded
sensor
Prior art date
Application number
PCT/FR2017/051947
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Inventor
Nicolas DEMOND
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Railtech International
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/42—Circuits effecting compensation of thermal inertia; Circuits for predicting the stationary value of a temperature
    • G01K7/427—Temperature calculation based on spatial modeling, e.g. spatial inter- or extrapolation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K23/00—Alumino-thermic welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/26—Railway- or like rails

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for controlling the preheating of an area of a metal rail to be welded by thermite welding, and an aluminothermic welding system comprising such a control device.
  • Aluminothermic welding is a process that has been used for a long time to bond metal rails, particularly railroad rails, end-to-end.
  • a mold formed of several parts is placed around the ends of the rails to be welded, a crucible containing an aluminothermic filler is placed on said mold and then said charge is ignited so as to trigger the aluminothermic reaction.
  • the molten metal resulting from this reaction then flows into the mold and fills the mold cavity.
  • the implementation of the aluminothermic welding is preceded by a preheating of the area to be welded, in order to bring the ends of the rails to a sufficiently high temperature to allow an intimate mixture with the molten metal from the crucible and thus ensure a good quality welding.
  • the quality of the preheating is evaluated by obtaining a given temperature on the surface intended to be in contact with the molten metal.
  • This operation is particularly delicate, poorly executed preheating being the main cause of the defects of an aluminothermic welding.
  • the preheating can be achieved for example by means of a torch powered by a gas cylinder, a manometer arranged at the outlet of the cylinder for adjusting the gas pressure supplied to the torch, which has an influence on the temperature of the gas. generated flame.
  • the torch is placed in the mold, facing the surfaces of the rails intended to be in contact with the molten metal.
  • the causes of poor preheating are diverse.
  • the equipment used may be unsuitable for the intended application, worn or defective.
  • the environment of the weld including altitude or ambient temperature (for example if it is very low), but also the wind, can affect the temperature reached in the area to be welded.
  • the setting up of the torch which is a manual operation, may be subject to improper handling by the operator, the torch may for example not be centered with respect to the area to be welded and / or inclined relative to the median plane of the area to be welded.
  • thermometer One method is to measure on a drilled rail coupon in which a thermometer is inserted. This method is precise but expensive because it requires having a coupon adapted to each rail profile.
  • thermochromic pencil the color of which changes at a certain temperature.
  • this technique is imprecise and difficult to implement on brief preheating (that is to say typically less than 8 minutes), which are mainly practiced.
  • a third method is to use an infra-red pyrometer, which allows a distance measurement of the temperature reached on the surface of the rails.
  • an infra-red pyrometer which allows a distance measurement of the temperature reached on the surface of the rails.
  • such a device is expensive and causes high risk of misreading.
  • its use requires removing the torch to perform the measurement.
  • a fourth method consists in applying contact sensors to the surface of the rail of the rail during preheating. However, this method damages the sensors and is not applicable to a lane weld.
  • An object of the invention is therefore to design a method for controlling the preheating of an area to be welded which is more reliable and easier to implement than existing methods.
  • This process must in particular allow a continuous control of the temperature on a weld in the laboratory or on the railway, without it being necessary to remove the torch to make the measurement.
  • this method must allow control of the preheating equipment so as to automate at least part of the preheating.
  • a method of controlling the preheating of a zone of a metal rail before the implementation of an aluminothermic welding characterized in that it comprises: the installation of at least one temperature sensor on the rail remote from the zone to be welded,
  • said at least one sensor is placed at a distance of less than 200 mm from the edge closest to the zone to be welded.
  • said at least one sensor is magnetized.
  • At least one sensor is positioned on the runner of the rail and at least one sensor is positioned on the mushroom or the web of the rail.
  • the zone to be welded comprises the ends of two rails to be welded and at least one sensor is placed on each rail at a distance from the zone to be welded.
  • an arithmetic average of the temperatures measured by each sensor is calculated and said calculated average temperature is correlated with a temperature of the surface of the rail in the zone to be welded to determine the state of the preheating at the temperature. moment of measurement.
  • said method comprises the display of an alert and / or the emission of a sound signal when the preheating is completed, the surface of the rail in the area to be welded having reached an expected threshold.
  • said method comprises displaying an alert and / or emitting an audible signal when the preheating state does not conform to the reference state.
  • the preheating is performed by means of a system controlled by the state of preheating determined.
  • the preheating system comprises:
  • a container containing a gas configured to be selectively fluidically connected with the torch
  • a manometer arranged to measure the gas pressure sent from the container to the torch, said manometer being controlled by the preheating state determined so that the gas pressure is adjusted according to the state of preheating.
  • control unit coupled to said sensor and comprising a processor configured to match the temperature measured by the sensor with a temperature of the rail surface in the preheated zone and determine a state of preheating at the moment of measurement
  • a display coupled to said processor and configured to display information on the conformity of the preheating with respect to a reference state.
  • the processor of the control unit is coupled to a memory in which is recorded at least one chart establishing a correspondence between the temperature measured by the at least one temperature sensor and a surface temperature of the rail in the area to be welded.
  • Another subject of the invention relates to a preheating system for an aluminothermic welding, comprising:
  • At least one container containing a gas configured to be selectively fluidically connected with the torch
  • At least one manometer arranged to measure the gas pressure sent from the container to the torch
  • said system being characterized in that it further comprises a control device as described above.
  • the manometer is controlled by the control device, so that the gas pressure is adjusted according to the state of preheating.
  • FIG. 1 is a perspective view of an aluminothermic welding device in place on two end-to-end welding rails on which sensors have been positioned,
  • FIG. 2 is a schematic view of a preheating control device according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a diagrammatic sectional view of the implantation of temperature sensors in the vicinity of the zone to be welded
  • FIG. 4 is an example of a preheating temperature reading at two points of the rail for different settings of the gas pressure supplied to the torch
  • FIG. 5 is an example of reference lines constructed from different preheating tests
  • FIG. 6 is an example of a graphical abacus making it possible to establish a link between the temperature measured by a sensor and the temperature of the surface preheated as a function of time.
  • Preheating control is based on the following principle.
  • the temperature sensor is located at a distance between the edge of the zone to be welded and 200 mm from this edge, preferably less than 120 mm with respect to this edge.
  • This distance takes into account in particular the thickness of the wall of the mold and the thickness of the paste to be lute which is generally applied to the outside of the mold to ensure a tight attachment of the mold on the rails.
  • a state of preheating typically, the temperature at the surface of the rail in the area to be welded. This state is determined from a pre-established relationship between the temperature measured by the sensor and the temperature of the zone to be welded at the moment of measurement.
  • This pre-established relationship can be presented in particular in the form of charts, of which Figure 6 is an example.
  • Said predetermined relationship depends on a certain number of parameters, including one or more of the following parameters: the value of the interlayer (distance between the two ends of rails), the profile of the rails, the ambient temperature, the presence or absence of wind, etc.
  • the control unit is furthermore configured to compare said preheating state with a reference state (for example, a temperature to be reached in the zone to be welded or in a determined region of this zone, or a maximum temperature difference between two regions of the zone to be welded), to determine whether the preheating is compliant or not.
  • a reference state for example, a temperature to be reached in the zone to be welded or in a determined region of this zone, or a maximum temperature difference between two regions of the zone to be welded
  • control unit is configured to emit an audible and / or visual warning when the preheating is completed, the desired temperature in the area to be welded having been reached.
  • control unit can be configured to emit an audible and / or visual alert when the state of preheating does not conform to the expected quality.
  • the operator can then modify the preheating parameters (for example, when the preheating is performed by means of a torch, adjusting the gas pressure and / or the position of the torch).
  • the sensors at different locations of the rail makes it possible to control the temperature reached in these two zones and to detect a possible anomaly.
  • the detection of a too high temperature of the pad associated with a too low temperature of the mushroom reflects a too low positioning of the torch. An alert on this situation must then lead the operator to go up the torch relative to the mold.
  • the detection of a too high temperature of the mushroom associated with a too low temperature of the pad can reflect a too high position of the torch or a too oxidizing character of the flame of the torch. An alert on this situation must then lead the operator to lower the torch relative to the mold and / or adjust the composition of the oxygen / gas mixture.
  • an average temperature in the area to be welded can also characterize the quality of preheating.
  • average is meant in this text an arithmetic mean of the temperatures determined by means of the predetermined relationship for each sensor.
  • an average temperature that is too low compared to an expected temperature reflects a position too high of the torch and / or a too low pressure of gas in the torch.
  • An alert on this situation must then lead the operator to implement at least one of the following corrective actions: lower the torch, increase the gas pressure in the torch, increase the warm-up time, check the supply line torch.
  • an average temperature too high compared to an expected temperature reflects a too high gas pressure in the torch.
  • a higher temperature on the mushroom of one rail than on the mushroom of the other rail reflects a longitudinal offset of the torch and / or poor centering of the mold relative to the ends of the rails.
  • An alert on such a situation must therefore lead the operator to realign the torch and / or to pay more attention to the next adjustment.
  • a higher temperature on the runner of one rail than on the core of the other rail results in poor centering of the mold relative to the ends of the rails.
  • An alert on such a situation must therefore lead the operator to pay more attention to the next adjustment.
  • overheating of the head of a rail and the pad of the other rail translates an angular misalignment of the torch. An alert on this situation must then lead the operator to readjust the orientation of the torch.
  • control unit only displays one or more temperatures determined from the measurements of the sensors. It is then up to the operator to interpret the information displayed to determine the state of preheating and the quality of it.
  • control unit is configured to, from the temperature (s) in the zone to be heated, determine a possible preheating fault and, if necessary, display a corrective action to perform.
  • the preheating system is controlled by the preheating state.
  • the manometer is controlled by the control unit so as to automatically adjust the gas pressure according to the situation detected by the control unit.
  • the control unit may optionally control a preheating stop (closing the supply of the torch) when the expected temperature in the area to be welded is reached.
  • Figure 1 is a perspective view of an aluminothermic welding device in place on two rails 1, 2 to be welded end to end.
  • the aluminothermic welding device comprises a mold 3 in several parts arranged on either side of the zone to be welded so as to form an imprint intended to receive molten metal from an aluminothermic welding crucible (not shown).
  • the general constitution of the mold is known to those skilled in the art and does not need to be described in more detail here.
  • temperature sensors 4 are arranged on the rails, outside the mold 3 and therefore at a distance from the zone to be welded.
  • the temperature sensors are connected in a wired manner (wires 40) to a control unit 5.
  • wired manner wires 40
  • control unit 5 such a wire link is presented for illustrative purposes only and Wireless connection between the sensors and the control unit could also be implemented without departing from the scope of the present invention.
  • FIG. 1 the number of sensors shown in FIG. 1 is only illustrative and can not limit the invention, it being understood that at least one sensor must be placed on at least one rail at a distance from the zone to be welded.
  • the location of the sensors is not limiting.
  • the sensor (s) may be located on the rail head, on the rail shoe and / or on the rail core.
  • the sensor (s) can be arranged on only one of the two rails or both.
  • the preheating control device comprises four sensors, two of which are arranged on the head of each rail and two are arranged on the pad of each rail. This embodiment offers a good compromise between the ease of implementation and the accuracy of the measurement, since it makes it possible to determine an average temperature of the zone to be welded and to detect possible misalignment of the torch.
  • the shape of the sensors may depend on the location provided on the rail. Sensors of different shapes can thus be used simultaneously in the preheating control device. For example, some sensors may be in the form of rods, allowing their insertion closer to the area to be welded, for example by wedging between the mold and the rail.
  • the sensors can be held on the rails by any appropriate means, for example mechanical (clamp or other), magnetic (via magnetization of the sensor), etc.
  • Figure 2 is a schematic view of a preheating control device according to one embodiment of the invention.
  • a torch 6 is used to preheat the zone to be welded inside the mold 3.
  • said torch 6 is fluidly connected to a container 7, such as a cylinder, with a gas.
  • the container 7 is equipped with a pressure gauge 8 for measuring the gas pressure sent from the container to the torch.
  • the pressure gauge is controlled by the state of the preheating determined by the control unit from the measurement data of the temperature sensor (s).
  • the control unit determines the state of the preheating from the measurement data of the temperature sensor (s).
  • the control unit 5 comprises a processor configured for, from the measurement data of the sensors and from one or more pre-established relationships between the temperature measured by a sensor and the temperature in a region of the zone to be welded, determine , at the moment of the measurement, the temperature in at least one region of the zone to be welded.
  • the control unit 5 may include a memory in which the one or more preset relationships are recorded.
  • the processor is also configured to compare the temperature or temperatures determined in the zone to be welded with at least one reference state of the preheating, for example a temperature to be reached in the zone to be welded, a maximum difference between different regions of the the zone to be welded, a maximum and / or minimum temperature of at least one region of the zone to be welded, etc.
  • Said reference state can be registered beforehand in the aforementioned memory. The comparison between the state of the preheating determined at a given moment and the reference state makes it possible to obtain an indication of the conformity of the preheating.
  • the control unit 5 is provided with a display 51 coupled to the processor and for displaying at least one information on the conformity of the preheating with respect to a reference state.
  • This information can be for example: the temperature of the surface of the preheated zone, an indication that the desired temperature in the preheated zone is reached, etc.
  • the display may be a screen or a simple indicator whose ignition depends on the conformity of the preheating.
  • the control unit 5 may also comprise one or more control buttons 52, in particular for switching on or off the preheating control device, or even for programming the control unit (for example, the control unit). recording of a new preset relation between a measurement of a sensor and the temperature in the zone to be welded, or the recording of a new reference state).
  • control unit is in the form of a transportable and resistant housing, allowing its use directly on the site of the weld.
  • Figure 3 is a schematic sectional view of an example of implantation of temperature sensors in the vicinity of the zone to be welded.
  • the zone to be welded is designated by reference numeral 15. It includes the ends 10 and 20 of the rails 1 and 2 as well as the gap (spacer) between the two ends which must be filled by the aluminothermic welding metal.
  • the mold 3 extends around the zone to be welded and is fixed on the rails 1 and 2 by the paste to be soldered 30.
  • a sensor 40 is fixed on the shoe of the rail 1 at a distance d2 from the outer wall of the mold 3.
  • Another sensor 40 is fixed on the shoe of the rail 2 at a distance d1 from the end of the rail 2.
  • This sensor presenting a rod shape, it can be inserted between the mold and the rail to be placed closer to the area to be welded 15.
  • the distances d1 and d2 are chosen so that the distance between the sensor and the edge closest to the welding area is less than 200 mm.
  • FIG. 4 is an example of a preheating temperature reading at two points of the rail for different settings of the gas pressure supplied to the torch, for a given rail profile and a given interlayer value, an ambient temperature of 20 ° C. and in the absence of wind. Curves 1 to 4 each correspond to a different setting of the gas pressure. This graph indicates the temperature T measured by the sensor as a function of the duration t of the preheating.
  • the data represented by a circle correspond to a temperature T 0 reached in the zone to be welded equal to 620 ° C
  • those represented by a cross correspond to a temperature T 0 reached in the zone to be welded equal to 660 ° C
  • those represented by a triangle correspond to a temperature T 0 reached in the area to be welded equal to 720 ° C.
  • Figure 5 is an example of reference lines constructed from different preheating tests.
  • This figure establishes a relationship between the temperature measured by the sensor (ordinates) over time and the temperature in the area to be welded.
  • the data represented by a circle correspond to a temperature T 0 reached in the zone to be welded equal to 620 ° C
  • those represented by a cross correspond to a temperature T 0 reached in the zone to be welded equal to 660 ° C
  • those represented by a triangle correspond to a temperature T 0 reached in the area to be welded equal to 720 ° C.
  • FIG. 6 is an example of a graphical abacus making it possible to establish a link between the temperature measured by a sensor and the temperature of the surface of the zone to be welded as a function of time during preheating.
  • the lines are those established in FIG. 5.
  • the dots represent successive measurements of the temperature by a sensor during preheating. By drawing segments connecting the different points, it is determined, as a function of their intersection with the lines corresponding to a given temperature T 0 of the zone to be welded, the instant of the preheating to which this temperature must be obtained. For example, in the case illustrated in Figure 6, the surface of the area to be welded must reach a temperature of 720 ° C to 7 min 55 s.
  • This information can be used as a reference state to control the state of preheating for a rail of the same profile, an interlayer of the same value and identical temperature and wind conditions.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de contrôle du préchauffage d'une zone d'un rail métallique avant la mise en œuvre d'une soudure aluminothermique, caractérisé en ce qu'il comprend: -la mise en place d'au moins un capteur de température (4) sur le rail (1,2) à distance de la zone à souder, -le suivi de l'évolution de la température mesurée par ledit capteur (4) au cours du préchauffage, -la mise en correspondance de la température mesurée avec une température de la surface du rail dans la zone préchauffée de sorte à déterminer un état du préchauffage à l'instant de la mesure, -l'affichage d'une information sur la conformité du préchauffage par rapport à un état de référence.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DU PRECHAUFFAGE
D'UNE ZONE D'UN RAIL AVANT UNE SOUDURE ALUMIOTHERMIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de contrôle du préchauffage d'une zone d'un rail métallique destinée à être soudée par soudure aluminothermique, ainsi qu'un système de soudure aluminothermique comprenant un tel dispositif de contrôle.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
La soudure aluminothermique est un procédé employé de longue date pour solidariser des rails métalliques, notamment de chemin de fer, mis bout à bout.
A cet effet, on dispose autour des extrémités des rails à souder un moule formé de plusieurs parties, on place sur ledit moule un creuset contenant une charge aluminothermique puis on allume ladite charge de manière à déclencher la réaction aluminothermique.
Le métal en fusion issu de cette réaction s'écoule alors dans le moule et remplit l'empreinte de moulage.
Après la solidification du métal et le retrait du moule, l'excédent de métal est retiré et la région de soudure est polie pour présenter une bonne continuité avec le profil des rails.
La mise en œuvre de la soudure aluminothermique est précédée d'un préchauffage de la zone à souder, afin de porter les extrémités des rails à une température suffisamment élevée pour permettre un mélange intime avec le métal fondu provenant du creuset et assurer ainsi une bonne qualité de la soudure.
La qualité du préchauffage s'évalue par l'obtention d'une température donnée sur la surface destinée à être en contact avec le métal en fusion.
Cette opération est particulièrement délicate, un préchauffage mal exécuté étant la cause principale des défauts d'une soudure aluminothermique.
Le préchauffage peut être réalisé par exemple au moyen d'un chalumeau alimenté par une bonbonne de gaz, un manomètre agencé à la sortie de la bonbonne permettant d'ajuster la pression de gaz apportée au chalumeau, qui a une influence sur la température de la flamme générée. Le chalumeau est mis en place dans le moule, en regard des surfaces des rails destinées à être en contact avec le métal en fusion.
Les causes d'un mauvais préchauffage sont diverses.
D'une part, l'équipement utilisé peut être inadapté à l'application visée, usé ou défectueux. D'autre part, l'environnement de la soudure, notamment l'altitude ou la température ambiante (par exemple si elle est très basse), mais aussi le vent, peuvent influer sur la température atteinte dans la zone à souder.
Un combustible de mauvaise qualité peut également empêcher l'obtention de la température souhaitée.
Enfin, la mise en place du chalumeau, qui est une opération manuelle, peut être sujette à une mauvaise manipulation de la part de l'opérateur, le chalumeau pouvant par exemple ne pas être centré par rapport à la zone à souder et/ou incliné par rapport au plan médian de la zone à souder.
Or, il est difficile pour un opérateur de détecter un mauvais préchauffage.
A ce jour, quatre méthodes sont principalement utilisées pour déterminer la température des rails dans la zone à souder au cours du préchauffage.
Une première méthode consiste à effectuer une mesure sur un coupon de rail percé dans lequel un thermomètre est introduit. Cette méthode est précise mais coûteuse car elle nécessite d'avoir un coupon adapté à chaque profil de rail.
Une deuxième méthode consiste à utiliser un crayon thermochrome, dont la couleur change à une température déterminée. Toutefois, cette technique est peu précise et difficile à mettre en œuvre sur des préchauffages de courte durée (c'est-à-dire typiquement inférieurs à 8 minutes), qui sont principalement pratiqués.
Une troisième méthode consiste à utiliser un pyromètre infra-rouge, qui permet de faire une mesure à distance de la température atteinte sur la surface des rails. Toutefois, un tel appareil est onéreux et occasionne de forts risques d'erreur de lecture. D'autre part, son utilisation nécessite de retirer le chalumeau pour effectuer la mesure.
Enfin une quatrième méthode consiste à appliquer des capteurs de contact avec la surface du rail du rail pendant le préchauffage. Toutefois cette méthode endommage les capteurs et n'est pas applicable à une soudure en voie.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
Un but de l'invention est donc de concevoir un procédé de contrôle du préchauffage d'une zone à souder qui soit plus fiable et plus aisé à mettre en œuvre que les procédés existants. Ce procédé doit en particulier permettre un contrôle en continu de la température sur une soudure en laboratoire ou sur la voie ferrée, sans qu'il soit nécessaire de retirer le chalumeau pour effectuer la mesure. Enfin, avantageusement, ce procédé doit permettre un asservissement de l'équipement de préchauffage de manière à automatiser au moins en partie le préchauffage.
Conformément à l'invention, il est proposé un procédé de contrôle du préchauffage d'une zone d'un rail métallique avant la mise en œuvre d'une soudure aluminothermique, caractérisé en ce qu'il comprend : - la mise en place d'au moins un capteur de température sur le rail à distance de la zone à souder,
- le suivi de l'évolution de la température mesurée par ledit capteur au cours du préchauffage,
- la mise en correspondance de la température mesurée avec une température de la surface du rail dans la zone préchauffée de sorte à déterminer un état du préchauffage à l'instant de la mesure,
- l'affichage d'une information sur la conformité du préchauffage par rapport à un état de référence.
De manière particulièrement avantageuse, lequel ledit au moins un capteur est placé à une distance inférieure à 200 mm par rapport au bord le plus proche de la zone à souder.
Selon un mode de réalisation, ledit au moins un capteur est aimanté.
Selon une forme d'exécution, au moins un capteur est positionné sur le patin du rail et au moins un capteur est positionné sur le champignon ou l'âme du rail.
Selon un mode de réalisation, la zone à souder comprend les abouts de deux rails à souder et au moins un capteur est mis en place sur chaque rail à distance de la zone à souder.
Selon un mode de réalisation, on calcule une moyenne arithmétique des températures mesurées par chaque capteur et l'on met en correspondance ladite température moyenne calculée avec une température de la surface du rail dans la zone à souder pour déterminer l'état du préchauffage à l'instant de la mesure.
Selon un mode de réalisation, ledit procédé comprend l'affichage d'une alerte et/ou l'émission d'un signal sonore lorsque le préchauffage est terminé, la surface du rail dans la zone à souder ayant atteint un seuil attendu.
Selon un mode de réalisation, ledit procédé comprend l'affichage d'une alerte et/ou l'émission d'un signal sonore lorsque l'état du préchauffage n'est pas conforme à l'état de référence.
De manière particulièrement avantageuse, le préchauffage est effectué au moyen d'un système asservi par l'état du préchauffage déterminé.
Selon un mode de réalisation, le système de préchauffage comprend :
- un chalumeau,
- un récipient contenant un gaz, configuré pour être sélectivement mis en liaison fluidique avec le chalumeau,
- un manomètre agencé pour mesurer la pression de gaz envoyée du récipient vers le chalumeau, ledit manomètre étant asservi par l'état du préchauffage déterminé de sorte que la pression de gaz est ajustée en fonction de l'état du préchauffage. Un autre objet de l'invention concerne un dispositif pour la mise en œuvre du procédé tel que décrit plus haut, caractérisé en ce qu'il comprend :
- au moins un capteur de température,
- une unité de contrôle couplée audit capteur et comprenant un processeur configuré pour mettre en correspondance la température mesurée par le capteur avec une température de la surface du rail dans la zone préchauffée et déterminer un état du préchauffage à l'instant de la mesure,
- un afficheur couplé audit processeur et configuré pour afficher une information sur la conformité du préchauffage par rapport à un état de référence.
Selon un mode de réalisation, le processeur de l'unité de contrôle est couplé à une mémoire dans laquelle est enregistrée au moins un abaque établissant une correspondance entre la température mesurée par ledit au moins un capteur de température et une température de la surface du rail dans la zone à souder.
Un autre objet de l'invention concerne un système de préchauffage pour une soudure aluminothermique, comprenant :
- au moins un chalumeau,
- au moins un récipient contenant un gaz, configuré pour être sélectivement mis en liaison fluidique avec le chalumeau,
- au moins un manomètre agencé pour mesurer la pression de gaz envoyée du récipient vers le chalumeau,
ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de contrôle tel que décrit plus haut.
De manière particulièrement avantageuse, le manomètre est asservi par le dispositif de contrôle, de sorte que la pression de gaz est ajustée en fonction de l'état du préchauffage.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de soudure aluminothermique en place sur deux rails à souder bout à bout sur lequel des capteurs ont été positionnés,
la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de contrôle du préchauffage selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 3 est une vue schématique en coupe l'implantation de capteurs de température au voisinage de la zone à souder,
la figure 4 est un exemple de relevé de température du préchauffage en deux points du rail pour différents réglages de la pression de gaz apportée au chalumeau, la figure 5 est un exemple de droites de référence construites à partir de différents essais de préchauffage,
la figure 6 est un exemple d'abaque graphique permettant d'établir un lien entre la température mesurée par un capteur et la température de la surface préchauffée en fonction du temps.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Le contrôle du préchauffage est basé sur le principe suivant.
Bien qu'il ne soit pas possible, sur une soudure en voie, de mesurer avec précision la température de la zone à souder par un moyen de mesure placé directement dans cette zone, les inventeurs ont découvert qu'il était possible d'établir une relation entre la température mesurée par un capteur de température agencé en-dehors de la zone à souder (notamment à l'extérieur du moule) et la température de la surface du rail dans ladite zone à souder.
De manière avantageuse, on fait en sorte que le capteur de température soit situé à une distance comprise entre le bord de la zone à souder et 200 mm à partir de ce bord, de préférence inférieure à 120 mm par rapport à ce bord. Cette distance tient compte notamment de l'épaisseur de la paroi du moule et de l'épaisseur de la pâte à luter qui est généralement appliquée à l'extérieur du moule pour assurer une fixation étanche du moule sur les rails.
Ainsi, en agençant un ou plusieurs capteurs sur le rail à distance de la zone à souder et en suivant l'évolution de la température mesurée par chaque capteur au cours du préchauffage, il est possible, manuellement ou grâce à une unité de contrôle qui reçoit et traite les données de mesure de chaque capteur, de déterminer un état du préchauffage (typiquement, la température à la surface du rail dans la zone à souder). Cet état est déterminé à partir d'une relation préétablie entre la température mesurée par le capteur et la température de la zone à souder à l'instant de la mesure. Cette relation préétablie peut se présenter notamment sous la forme d'abaques, dont la figure 6 est un exemple.
Ladite relation préétablie dépend d'un certain nombre de paramètres, dont un ou plusieurs des paramètres suivants : la valeur de l'intercalaire (distance entre les deux abouts de rails), le profil des rails, la température ambiante, la présence ou non de vent, etc.
L'unité de contrôle est en outre configurée pour comparer ledit état de préchauffage avec un état de référence (par exemple, une température à atteindre dans la zone à souder ou dans une région déterminée de cette zone, ou encore une différence maximale de température entre deux régions de la zone à souder), pour déterminer si le préchauffage est conforme ou non. Cette information sur la conformité du préchauffage est affichée à destination d'un opérateur qui est ainsi informé en temps réel de la qualité et de l'évolution du préchauffage mis en œuvre.
Eventuellement, l'unité de contrôle est configurée pour émettre une alerte sonore et/ou visuelle lorsque le préchauffage est terminé, la température souhaitée dans la zone à souder ayant été atteinte.
Par ailleurs, l'unité de contrôle peut être configurée pour émettre une alerte sonore et/ou visuelle lorsque l'état du préchauffage n'est pas conforme à la qualité attendue. L'opérateur peut alors modifier les paramètres de préchauffage (par exemple, lorsque le préchauffage est effectué au moyen d'un chalumeau, ajuster la pression de gaz et/ou la position du chalumeau).
De préférence, on utilise plusieurs capteurs, ce qui permet d'obtenir davantage d'informations sur l'évolution et la qualité du préchauffage.
Ainsi, le fait de disposer des capteurs à des emplacements différents du rail (par exemple, à la fois sur le champignon et sur le patin) permet de contrôler la température atteinte dans ces deux zones et de détecter une éventuelle anomalie. Par exemple, la détection d'une température trop élevée du patin associée à une température trop faible du champignon traduit un positionnement trop bas du chalumeau. Une alerte sur cette situation doit alors conduire l'opérateur à remonter le chalumeau par rapport au moule. Inversement, la détection d'une température trop élevée du champignon associée à une température trop faible du patin peut traduire un positionnement trop haut du chalumeau ou un caractère trop oxydant de la flamme du chalumeau. Une alerte sur cette situation doit alors conduire l'opérateur à baisser le chalumeau par rapport au moule et/ou à ajuster la composition du mélange oxygène/gaz.
Par ailleurs, l'utilisation de plusieurs capteurs peut permettre de déterminer une température moyenne dans la zone à souder, qui peut également caractériser la qualité du préchauffage. Par « moyenne » on entend dans le présent texte une moyenne arithmétique des températures déterminées au moyen de la relation préétablie pour chaque capteur. Ainsi, une température moyenne trop basse par rapport à une température attendue traduit une position trop haute du chalumeau et/ou une pression trop faible de gaz dans le chalumeau. Une alerte sur cette situation doit alors conduire l'opérateur à mettre en œuvre au moins l'une des actions correctives suivantes : baisser le chalumeau, augmenter la pression de gaz dans le chalumeau, augmenter le temps de préchauffage, vérifier la ligne d'alimentation du chalumeau. Inversement, une température moyenne trop élevée par rapport à une température attendue traduit une pression trop élevée de gaz dans le chalumeau. Une alerte sur cette situation doit alors conduire l'opérateur à réduire la pression et/ou à vérifier la ligne d'alimentation du chalumeau. Par ailleurs, l'utilisation de capteurs de part et d'autre de la zone à souder - de préférence de manière sensiblement symétrique par rapport à la zone à souder - peut permettre de détecter des défauts d'alignement du chalumeau par rapport au moule.
Ainsi, par exemple, une température plus élevée sur le champignon d'un rail que sur le champignon de l'autre rail traduit un décalage longitudinal du chalumeau et/ou un mauvais centrage du moule par rapport aux abouts des rails. Une alerte sur une telle situation doit donc conduire l'opérateur à réaligner le chalumeau et/ou à apporter davantage de soin au prochain réglage. Une température plus élevée sur le patin d'un rail que sur l'âme de l'autre rail traduit un mauvais centrage du moule par rapport aux abouts des rails. Une alerte sur une telle situation doit donc conduire l'opérateur à apporter davantage de soin au prochain réglage. Dans un autre cas, une surchauffe du champignon d'un rail et du patin de l'autre rail traduit un désalignement angulaire du chalumeau. Une alerte sur cette situation doit alors conduire l'opérateur à réajuster l'orientation du chalumeau.
Selon une forme d'exécution, l'unité de contrôle affiche uniquement une ou des températures déterminées à partir des mesures des capteurs. C'est alors à l'opérateur d'interpréter les informations affichées pour déterminer l'état du préchauffage et la qualité de celui-ci.
Selon une autre forme d'exécution, l'unité de contrôle est configurée pour, à partir de la(les) température(s) dans la zone à chauffer, déterminer un éventuel défaut du préchauffage et, le cas échéant, afficher une action corrective à effectuer.
Selon un mode de réalisation, le système de préchauffage est asservi par l'état du préchauffage. Ainsi, par exemple, le manomètre est commandé par l'unité de contrôle de sorte à ajuster automatiquement la pression de gaz en fonction de la situation détectée par l'unité de contrôle. Par ailleurs, l'unité de contrôle peut éventuellement commander un arrêt du préchauffage (fermeture de l'alimentation du chalumeau) lorsque la température attendue dans la zone à souder est atteinte.
Ainsi, l'intervention de l'opérateur est minimisée et le niveau de qualification de l'opérateur a moins d'influence sur la qualité du préchauffage.
La figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de soudure aluminothermique en place sur deux rails 1 , 2 à souder bout à bout.
Le dispositif de soudure aluminothermique comprend un moule 3 en plusieurs parties agencées de part et d'autre de la zone à souder de sorte à former une empreinte destinée à recevoir du métal en fusion provenant d'un creuset de soudure aluminothermique (non représenté). La constitution générale du moule est connue de l'homme du métier et ne nécessite pas d'être décrite plus en détail ici.
Plusieurs capteurs de température 4 sont agencés sur les rails, à l'extérieur du moule 3 et donc à distance de la zone à souder. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1 , les capteurs de température sont reliés de manière filaire (fils 40) à une unité de contrôle 5. Toutefois, une telle liaison filaire n'est présentée qu'à titre d'illustration et une liaison sans fil entre les capteurs et l'unité de contrôle pourrait également être mise en œuvre sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.
Par ailleurs, le nombre de capteurs représenté sur la figure 1 est uniquement exemplatif et ne saurait limiter l'invention, étant entendu qu'au minimum un capteur doit être placé sur au moins un rail à distance de la zone à souder.
De même, l'emplacement des capteurs n'est pas limitatif. Le(s) capteur(s) peu(ven)t se trouver sur le champignon du rail, sur le patin du rail et/ou sur l'âme du rail. Le(s) capteur(s) peu(ven)t être agencés sur un seul des deux rails ou sur les deux. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif de contrôle du préchauffage comprend quatre capteurs, dont deux sont agencés sur le champignon de chaque rail et deux sont agencés sur le patin de chaque rail. Ce mode de réalisation offre un bon compromis entre la facilité de mise en œuvre et la précision de la mesure, puisqu'il permet de déterminer une température moyenne de la zone à souder et de détecter d'éventuels défauts d'alignement du chalumeau.
La forme des capteurs peut dépendre de l'emplacement prévu sur le rail. Des capteurs de différentes formes peuvent ainsi être utilisés simultanément dans le dispositif de contrôle du préchauffage. Par exemple, certains capteurs peuvent se présenter sous la forme de tiges, permettant ainsi leur insertion plus près de la zone à souder, par exemple par coincement entre le moule et le rail.
Les capteurs peuvent être maintenus sur les rails par tout moyen approprié, par exemple mécanique (pince ou autre), magnétique (via une aimantation du capteur), etc.
La figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de contrôle du préchauffage selon un mode de réalisation de l'invention.
Un chalumeau 6 est utilisé pour préchauffer la zone à souder à l'intérieur du moule 3. De manière connue en elle-même, ledit chalumeau 6 est relié fluidiquement à un récipient 7, tel qu'une bonbonne, d'un gaz. Le récipient 7 est équipé d'un manomètre 8 pour mesurer la pression de gaz envoyée du récipient vers le chalumeau.
Selon une forme d'exécution avantageuse, le manomètre est asservi par l'état du préchauffage déterminé par l'unité de contrôle à partir des données de mesure du(des) capteur(s) de température. Ainsi, en fonction de l'état du préchauffage, la pression de gaz envoyée dans le chalumeau peut être ajustée. La flèche s'étendant entre l'unité de contrôle 5 et le manomètre 8 symbolise cet asservissement. La liaison entre l'unité de contrôle et le manomètre peut être réalisée de manière filaire ou non. Lorsque la liaison entre l'unité de contrôle 5 et les capteurs 4 est réalisée de manière filaire, l'unité de contrôle comprend des connecteurs 53 permettant de brancher l'extrémité de chaque fil 40.
L'unité de contrôle 5 comprend un processeur configuré pour, à partir des données de mesure des capteurs et à partir d'une ou plusieurs relations préétablies entre la température mesurée par un capteur et la température dans une région de la zone à souder, déterminer, à l'instant de la mesure, la température dans au moins une région de la zone à souder.
L'unité de contrôle 5 peut comprendre une mémoire dans laquelle la ou lesdites relations préétablies sont enregistrées.
De manière avantageuse, le processeur est également configuré pour comparer la ou les températures déterminées dans la zone à souder avec au moins un état de référence du préchauffage, par exemple une température à atteindre dans la zone à souder, une différence maximale entre différentes régions de la zone à souder, une température maximale et/ou minimale d'au moins une région de la zone à souder, etc. Ledit état de référence peut être enregistré au préalable dans la mémoire susmentionnée. La comparaison entre l'état du préchauffage déterminé à un instant donné et l'état de référence permet d'obtenir une indication sur la conformité du préchauffage.
L'unité de contrôle 5 est pourvue d'un afficheur 51 couplé au processeur et permettant d'afficher au moins une information sur la conformité du préchauffage par rapport à un état de référence. Cette information peut être par exemple : la température de la surface de la zone préchauffée, une indication du fait que la température souhaitée dans la zone préchauffée est atteinte, etc. L'afficheur peut être un écran ou un simple voyant dont l'allumage dépend de la conformité du préchauffage.
L'unité de contrôle 5 peut également comprendre un ou plusieurs boutons 52 de commande, notamment pour la mise en marche ou l'arrêt du dispositif de contrôle du préchauffage, voire pour la programmation de l'unité de contrôle (par exemple, l'enregistrement d'une nouvelle relation préétablie entre une mesure d'un capteur et la température dans la zone à souder, ou l'enregistrement d'un nouvel état de référence).
De manière avantageuse, l'unité de contrôle se présente sous la forme d'un boîtier transportable et résistant, permettant son utilisation directement sur le site de la soudure.
La figure 3 est une vue schématique en coupe d'un exemple d'implantation de capteurs de température au voisinage de la zone à souder.
Les éléments désignés par les mêmes signes de référence que sur les figures 1 et 2 sont identiques à ceux de ces figures. La zone à souder est désignée par le repère 15. Elle inclut les abouts 10 et 20 des rails 1 et 2 ainsi que l'intervalle (intercalaire) entre les deux abouts qui doit être comblé par le métal de soudure aluminothermique. Le moule 3 s'étend autour de la zone à souder et est fixé sur les rails 1 et 2 par de la pâte à luter 30.
Un capteur 40 est fixé sur le patin du rail 1 à une distance d2 de la paroi extérieure du moule 3. Un autre capteur 40 est fixé sur le patin du rail 2 à une distance d1 de l'about du rail 2. Ce capteur présentant une forme de tige, il peut être inséré entre le moule et le rail pour être placé au plus près de la zone à souder 15. Les distances d1 et d2 sont choisies pour que la distance entre le capteur et le bord le plus proche de la zone à souder soit inférieure à 200 mm.
La figure 4 est un exemple de relevé de température du préchauffage en deux points du rail pour différents réglages de la pression de gaz apportée au chalumeau, pour un profil de rail donné et une valeur d'intercalaire donnée, une température ambiante de 20°C et en l'absence de vent. Les courbes 1 à 4 correspondent chacune à un réglage différent de la pression de gaz. Ce graphe indique la température T mesurée par le capteur en fonction de la durée t du préchauffage. Les données représentées par un cercle correspondent à une température T0 atteinte dans la zone à souder égale à 620°C, celles représentées par une croix correspondent à une température T0 atteinte dans la zone à souder égale à 660°C, et celles représentées par un triangle correspondent à une température T0 atteinte dans la zone à souder égale à 720°C.
Naturellement, le relevé de la figure 4 n'est qu'un exemple et les relevés obtenus pourront varier en fonction du profil du rail, de la valeur de l'intercalaire, de la température ambiante et de la présence de vent.
La figure 5 est un exemple de droites de référence construites à partir de différents essais de préchauffage.
Cette figure établit une relation entre la température mesurée par le capteur (en ordonnées) au cours du temps et la température dans la zone à souder. Les données représentées par un cercle correspondent à une température T0 atteinte dans la zone à souder égale à 620°C, celles représentées par une croix correspondent à une température T0 atteinte dans la zone à souder égale à 660°C, et celles représentées par un triangle correspondent à une température T0 atteinte dans la zone à souder égale à 720°C.
La figure 6 est un exemple d'abaque graphique permettant d'établir un lien entre la température mesurée par un capteur et la température de la surface de la zone à souder en fonction du temps au cours du préchauffage. Les droites sont celles établies à la figure 5. Les points représentent des mesures successives de la température par un capteur au cours du préchauffage. En traçant des segments reliant les différents points, on détermine, en fonction de leur intersection avec les droites correspondant à une température T0 donnée de la zone à souder, l'instant du préchauffage auquel cette température doit être obtenue. Par exemple, dans le cas illustré à la figure 6, la surface de la zone à souder doit atteindre une température de 720°C à 7 min 55 s.
Cette information peut être utilisée comme état de référence afin de contrôler l'état du préchauffage pour un rail de même profil, un intercalaire de même valeur et des conditions de température et de vent identiques.
Naturellement, on construira autant d'abaques que de configurations différentes de rails et de conditions ambiantes à couvrir.
Enfin, il va de soi que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de contrôle du préchauffage d'une zone d'un rail métallique avant la mise en œuvre d'une soudure aluminothermique, caractérisé en ce qu'il comprend :
- la mise en place d'au moins un capteur de température (4) sur le rail (1 , 2) à distance de la zone à souder,
- le suivi de l'évolution de la température mesurée par ledit capteur (4) au cours du préchauffage,
- la mise en correspondance de la température mesurée avec une température de la surface du rail dans la zone préchauffée de sorte à déterminer un état du préchauffage à l'instant de la mesure,
- l'affichage d'une information sur la conformité du préchauffage par rapport à un état de référence.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel ledit au moins un capteur (4) est placé à une distance inférieure à 200 mm par rapport au bord le plus proche de la zone à souder.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un capteur (4) est aimanté.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel au moins un capteur est positionné sur le patin du rail et au moins un capteur est positionné sur le champignon ou l'âme du rail.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la zone à souder comprend les abouts de deux rails (1 , 2) à souder et au moins un capteur (4) est mis en place sur chaque rail (1 , 2) à distance de la zone à souder.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on calcule une moyenne arithmétique des températures mesurées par chaque capteur et l'on met en correspondance ladite température moyenne calculée avec une température de la surface du rail dans la zone à souder pour déterminer l'état du préchauffage à l'instant de la mesure.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant l'affichage d'une alerte et/ou l'émission d'un signal sonore lorsque le préchauffage est terminé, la surface du rail dans la zone à souder ayant atteint un seuil attendu.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant l'affichage d'une alerte et/ou l'émission d'un signal sonore lorsque l'état du préchauffage n'est pas conforme à l'état de référence.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le préchauffage est effectué au moyen d'un système asservi par l'état du préchauffage déterminé.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le système de préchauffage comprend :
- un chalumeau (6),
- un récipient (7) contenant un gaz, configuré pour être sélectivement mis en liaison fluidique avec le chalumeau (6),
- un manomètre (8) agencé pour mesurer la pression de gaz envoyée du récipient (7) vers le chalumeau (6), ledit manomètre étant asservi par l'état du préchauffage déterminé de sorte que la pression de gaz est ajustée en fonction de l'état du préchauffage.
1 1 . Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend :
- au moins un capteur de température (4),
- une unité de contrôle (5) couplée audit capteur (4) et comprenant un processeur configuré pour mettre en correspondance la température mesurée par le capteur avec une température de la surface du rail dans la zone préchauffée et déterminer un état du préchauffage à l'instant de la mesure,
- un afficheur (51 ) couplé audit processeur et configuré pour afficher une information sur la conformité du préchauffage par rapport à un état de référence.
12. Dispositif selon la revendication 1 1 , dans lequel le processeur de l'unité de contrôle (5) est couplé à une mémoire dans laquelle est enregistrée au moins un abaque établissant une correspondance entre la température mesurée par ledit au moins un capteur de température et une température de la surface du rail dans la zone à souder.
13. Système de préchauffage pour une soudure aluminothermique, comprenant : - au moins un chalumeau (6),
- au moins un récipient (7) contenant un gaz, configuré pour être sélectivement mis en liaison fluidique avec le chalumeau (6), - au moins un manomètre (8) agencé pour mesurer la pression de gaz envoyée du récipient vers le chalumeau,
ledit système étant caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de contrôle selon l'une des revendications 1 1 ou 12.
14. Système selon la revendication 13, dans lequel le manomètre (8) est asservi par le dispositif de contrôle, de sorte que la pression de gaz est ajustée en fonction de l'état du préchauffage.
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