Comprendre le chemin de fer
Longs rails soudés

Historique
Les longs rails soudés (LRS) ne datent pas d’hier. Déjà, dans les années 1920, on reconnaissait l’amélioration évidente de l’élimination des joints de rail. À l’époque, les LRS étaient surtout posés sur les trajets de tramway électrique. Quelques essais ont été faits sur des chemins de fer conventionnels dans les années 1930. On a utilisé les LRS particulièrement dans les tunnels, où les variations de température sont plus petites que dehors. Les installations de voie ferrée sans ballast, comme dans les puits d’entretien ou des aménagements de classification ont aussi été équipés de LRS.


Pourtant, les ingénieurs du chemin de fer sont demeurés sceptiques quant à l’utilisation de LRS sur des voies accueillant un fort volume de trafic, et surtout, un fort tonnage.


Les coûts associés à l’entretien de rails jointés représentent une très large part du coût d’entretien de l’emprise d’une voie ferrée. C’est sans surprise que les efforts ont été concentrés pour continuer le développement de technologie permettant un transfert progressif vers les LRS.


Les coups que doivent absorber les rails jointés à leur extrémité (rail-end batter), la faiblesse dans le métal que procure le trou de chaque boulon servant à tenir le joint, de même que le stress qu’ajoute le boulon lui-même sur le rail sont autant de facteurs qui réduisent considérablement la vie d’un rail. Sans compter l’entretien du joint comme tel. Les boulons et écrous doivent être périodiquement resserrés, les barres de joint changé au besoin, selon l’usure ou les fractures qu’ils subissent, même sous un service normal. Dans les territoires signalisés, ajoutons à cela les liaisons électriques (bonding) que doit posséder chaque joint pour que le système de signalisation fonctionne correctement.


Sous la voie ferrée, les traverses qui supportent le joint, soit directement sous celui-ci, soit légèrement de chaque côté, s’usent plus rapidement que les autres traverses. Le pompage de la voie qui s’en suit provoque une montée de la boue dans le ballast, ce qui le contamine plus rapidement. Dans une voie ferrée construite avec des LRS, le pompage de la voie est grandement diminué par la répartition plus uniforme du poids du train.


Si vous êtes un habitué des voyages ferroviaires, vous aurez remarqué que les trains circulent plus rapidement sur des LRS. Cela va de soi, puisque le voyage est non seulement plus confortable pour les occupants du train (ou sa marchandise), mais pour l’équipement aussi. Les suspensions sont moins sollicitées, les tables de roulement des roues s’usent moins vite.


Voyant cette longue liste d’avantages qu’offrent les LRS, alors pourquoi ne pas en équiper toutes les voies ferrées, et ce, dès le début du chemin de fer?


La première réponse à cette question en était une de confiance. Lors de l’apparition des LRS, la confiance dans les soudures des joints n’était pas très élevée. On croyait que les bris de rail à la hauteur des soudures seraient plus fréquents, un facteur à lui seul qui retarda l’exploitation de cette technologie.


Les facteurs économiques n’étaient pas plus favorables : aucune production de masse, coût de fabrication très élevé, transport et installation difficile à réaliser avec les équipements de l’époque.


Sur le plan technologique, on ne possédait pas de méthodes efficaces pour contrer le stress de dilation et d’expansion de l’acier sur une surface ballastée. Ce n’est que dans les années 1950 que quelques chemins de fer sont parvenus à maîtriser relativement cette technique.


La technique de pose de l’époque se décrivait comme suit : le rail soit être installé à la température médiane de la région, pour minimiser la dilation et l’expansion du rail. Le rail devait être cloué à une fréquence plus grande qu’un rail jointé. L’épaisseur du ballast devait être plus grande, pour mieux absorber les chocs subis par le rail. Il n’était pas permis d’entretenir les LRS, ou de les déranger (comme lors de changement de traverses), pendant les périodes de canicule.


Le non-respect de ces normes d’installation menait souvent à des incidents, dont les plus fréquents étaient le flambage du rail (sunkink, ou buckled rail), les fractures, spécialement aux extrémités de LRS lorsque ceux-ci étaient attachés à des rails jointés. Comme les LRS se contractaient énormément, ils tiraient sur les rails jointés, ce qui occasionnait des fractures ou ruptures de joint.


Les chemins de fer ont dû s’adapter, et la première modification de l’industrie fût d’installer les LRS à des températures plus élevées que la température médiane. Ce choix fut justifié par le fait que l’industrie considérait le flambage d’un rail comme un défaut nettement plus important qu’une fracture de rail, même de quelques pouces. En posant les LRS à des températures plus hautes, on augmentait peut-être le risque de fracture, mais on diminuait de beaucoup le risque de flambage.


De nos jours, les rails sont chauffés à 71 °C lors de l’étape de la pose. Il est donc fort peu probable que le rail atteigne cette température pendant sa vie utile, quoique le phénomène est toujours possible lors de canicule. La concentration de la chaleur en un seul point dans le rail, causé par des facteurs multiples, peut faire monter la température bien au-delà de la température de l’air ambiant. Mais ce phénomène demeure marginal. Lorsqu’une telle situation se produit, le trafic est réduit en vitesse, et si nécessaire, en poids. Les rails étant solidement attachés aux traverses, l’écartement est maintenu en tout temps.


Du même coup, on a aussi résolu le problème de l’entretien du rail (resurfaçage) et des changements de traverses (dérangement du rail) à des températures plus hautes, puisque le rail ayant été posé à cette température pouvait aisément absorber le stress de l’entretien.


Les entreprises spécialisées ont alors développé des réchauffeurs de rails pour préchauffer le rail à la bonne température lors de son installation. Le préchauffement se fait lorsque le rail est mis en place, mais avant d’être cloué aux traverses. Dans certains endroits très chauds, on a même utilisé des refroidisseurs pour amener le rail à la température idéale.


Différentes techniques de soudure ont aussi été mises en place, comme les joints soudés à l’aluminothermie, les joints collés, et les joints munis d’écrous ultrarésistants.


L’avancement de ces différentes techniques a permis d’assurer une sécurité dépassant aujourd’hui celle des rails jointés.


Processus de soudure

Soudage en bout par étincelage
Le processus de soudage en bout par étincelage est le plus souvent utilisé lorsque le LRS est fabriqué en usine. Ce processus fut mis au point en 1937. Les rails de 39 pieds de long sont mis bout à bout pour former des LRS qui font habituellement 1440 pieds.


Il existe différentes techniques de soudage en bout par étincelage, mais la base reste la même : on fait chauffer le bout du rail devant être soudé en faisant passer un courant de 20 000 à 100 000 ampères (5 à 10 volts) au travers du métal. Les rails sont collés puis décollés plusieurs fois, ce qui cause une réaction chimique qui amène les bouts des rails à plus de 2000°F. À cette température, les aspérités disparaissent. Puis, le courant est réappliqué, et on pousse un rail vers l’autre à vitesse constante. Au contact de l’autre rail, les rails fusionnent, et le métal fondu est expulsé sur les côtés. Lorsque le métal cesse de fondre, on enlève les électrodes, le rail est poussé fortement contre l’autre, et maintenu dans cette position pour 10 secondes.


La technique de soudage en bout par étincelage sur le terrain a été mise au point dans l’ex-Union Soviétique, et est quelque peu différente. Le courant passe pendant plus de 3 minutes, et des pinces spéciales maintiennent les rails en place. La surface des rails doit être mieux préparée que celles des rails qui sont soudés en usine. Même les lettres de marquage embossées dans le rail peuvent avoir une influence sur le résultat du processus de soudure.

Soudage au gaz
Pour la soudure de LRS sur le terrain, on utilise aussi la soudure au gaz. Un mélange de gaz combustible et d’oxygène chauffe le rail à 2250°F puis on pousse les deux rails un contre l’autre. La fusion du métal crée la soudure. Les rails doivent avoir été coupés avec une scie au préalable, car la moindre imperfection laissera des parties du joint non soudé. Cette technique est moins répandue que la soudure en bout par étincelage.

Soudage aluminothermique
La soudure aluminothermique est de plus en plus populaire pour la soudure de LRS sur place, car elle ne nécessite pas d’équipement sophistiqué. Le procédé d’aluminothermie a été mis au point par le professeur H. Goldschmidt, en 1898. Le principe de l’aluminothermie repose sur une poudre, la thermite, qui se compose d’oxyde de fer, de poussière d’aluminium et d’un alliage qui fera la liaison chimique entre les deux bouts des rails.


La préparation à la soudure va comme suit : nettoyage des surfaces à souder. Elles doivent surtout être sèches, puisque de l’hydrogène se développe pendant la réaction chimique. Donc pas de graisse ou de rouille.


On installe ensuite un moule qui se superpose à l’espace laissé entre les deux rails. Au-dessus de ce moule, une vasque comprenant la thermite. À l’aide d’une allumette, on met le feu à une tige qui va transmettre le feu à la thermite. Puis, la réaction chimique commence. La réaction va dégager une chaleur si grande que le bouchon à la base de la vasque va fondre, et la thermite liquide va couler dans le moule. Les bouts des rails font devenir si chaud qu’ils font fondre et se fusionner avec la thermite.


Quelques minutes plus tard, on peut démouler le tout et poncer le joint afin de redonner le bon profil au rail. Dans certains cas, le trafic ferroviaire ne sera pas interrompu plus de 30 minutes.

Joints collés
Concernant les joints collés, les technologies d’aujourd’hui permettent d’obtenirdes joints très solides pour l’exploitation de LRS, tout en conservant une certaine élasticité pour absorber le stress du rail occasionné par les variations de température. Les bouts des rails sont collés à l’aide d’un composé de résine d’époxy-polyester. La résistance à la séparation est de 50 tonnes longitudinalement, et de 100 tonnes verticalement.

Les joints collés permettent de conserver les avantages des LRS tout en ayant des joints isolés électriquement pour les systèmes de signalisation. Un joint collé ne nécessite qu’une heure d’interruption de trafic.

Ballast
Afin de permettre au LRS de se déplacer sécuritairement sur le ballast lors de ses mouvements de contraction et d’expansion, on doit employer du ballast ayant de meilleures qualités d’interverrouillage, c’est-à-dire du ballast dont les arrêtes permettent d’offrir un lit très stable à la voie ferrée. Dans la même optique, on a dû augmenter l’épaulement de la voie, en élargissant la couche de ballast. Le dérangement de la voie ferrée composée de LRS par température chaude doit nécessiter un bon compactage du ballast après la fin des travaux, pour remettre le lit dans une condition optimale.


Fabrication de LRS en usine
Les manufactures de LRS ne courent pas les rues. Il y en a environ 50 aux États-Unis. En fait, les chemins de fer ont traditionnellement préféré ne pas investir dans d’énormes usines centralisées, mais plutôt dans plusieurs petits plants répartis à travers le continent. Pour les projets majeurs, on n’hésitera pas à construire une usine portative près du chantier. Évidemment, le coût élevé du transport de LRS justifie cela. Ces usines portatives peuvent être aménagées au sol, ou encore, dans des wagons récupérés à cette fin. Les usines permanentes offrent l’avantage d’avoir des installations plus performantes, et plus complètes (comme une machine d’inspection, et un dispositif de chargement sur train automatisé), mais sont sujettes au creux de la charge de travail entre deux projets. Ce qui rend difficile la tâche de conserver sur place une main-d'œuvre hautement qualifiée.


Les LRS sont composés de rails neufs, de rails usagés, ou d’un mélange des deux. Pour les rails usagés, une inspection en profondeur, ainsi qu’un nettoyage des bouts (ou l’ablation de ceux-ci selon les fractures ou fissures trouvées) font en sorte que les coûts d’utilisation de rails usagés ne sont pas toujours un avantage significatif sur les rails neufs.


Les rails usagés peuvent être livrés alors qu’ils sont toujours vissés ensemble, ou encore, expédiés rail par rail. Dans ce dernier cas, l’inspection et la préparation sont souvent faites avant l’expédition vers l’usine. Les rails présentant des défauts tels que des empreintes de patinage, la corrosion, l’ondulation du rail et le flambage sont généralement des rails qui sont automatiquement disqualifiés pour devenir des LRS.


Le type de soudure employé le plus fréquemment dans une usine de fabrication de LRS est le soudage en bout par étincelage. Avant de procéder à la soudure comme telle, les bouts à être soudés doivent être polis. On doit y enlever la calamine (oxyde de fer qui se forme sur les métaux lorsqu’ils sont chauffés). Si la calamine ou la rouille qui s’est formée sur les bouts du rail devant être soudés n’est pas enlevée, des fissures causées par des brûlures d’électrodes (electrodes burns) peuvent se développer plus tard dans le rail.


Par la suite, on amorce le soudage. Les équipes de soudeurs se déplacent rarement le long du LRS en production. Généralement, les stations de travail (préparation, soudage, nettoyage, inspection) sont séparées par une longueur de rail, soit 39 pieds. Les stations doivent pouvoir se déplacer légèrement dans le cas où des rails plus courts, comme dans le cas des rails usagés, sont utilisés.


La station suivant le soudage est celle du nettoyage. On doit poncer le joint et enlever toutes les aspérités laissées par le processus de soudure.


Puis, c’est l’inspection. Différents tests sont conduits afin de s’assurer de la qualité du rail produit. Non seulement du joint et de la soudure, mais de l’ensemble du rail.


Le rail est ensuite chargé sur des wagons spéciaux, qui mesurent généralement plus de 1500 pieds de long, pour accommoder les LRS. Ces wagons sont équipés de rouleaux sur lesquels les rails se meuvent, facilitant ainsi non seulement le chargement, mais le déchargement du rail une fois sur place.


Les rails sont chargés par groupes de 40 rails de large, par 4 étages de haut dans le wagon. Généralement, les rails ne sont tenus en place qu’au centre du train. Dans le reste du convoi, les rails peuvent se déplacer longitudinalement, afin de compenser lorsque le train négocie des courbes.


Les rails sont déposés le long de la voie lorsqu’il s’agit de rail de remplacement. On attache le rail à de l’équipement lourd, et le train avance tranquillement. Le rail glisse du train, se déposant de lui-même le long de la voie. Pour les nouvelles constructions, on tire le rail du train avec un tracteur. Une fois les deux rails posés, le train peut avancer sur cette nouvelle voie, et on recommence le processus.


Les LRS ont une longueur maximale de 1440 pieds. Même si techniquement, on pourrait les allonger encore plus, il existe peu de situations qui permettent de le faire. La signalisation, les passages à niveau, les ponts, les aiguillages, etc. nécessitent tous des joints dans le rail, soit pour l’isolation électrique de la voie, soit pour compenser les secousses et vibrations que subit la structure indépendante du lit de la voie ferrée.


Conclusion
Après des débuts plutôt lents, les longs rails soudés se sont imposés comme le nec plus ultra des voies ferrées. Lorsque les techniques de soudure se sont améliorés dans les années 1950, leurs avantages, comme le confort de roulement, l’économie de carburant et l’entretien simplifié ont rapidement fait pencher la balance de leur côté. Les rails jointés ont commencé à disparaître des voies principales pour des applications plus légères comme les voies d’évitement, les lignes secondaires et les embranchements.


Les statistiques de pose de voies équipées de LRS parlent d’elles-mêmes. Voyez le nombre de LRS posé par année au siècle dernier :

Milles de LRS posés par année
0,00 1923
0,16 1933
6,29 1943
80,00 1953
1858,00 1963
4767,37 1973


Et trente ans plus tard, la courbe continue vers le haut.