Le présent travail vise à élaborer des soudures aluminothermiques de Hautes Performances tout en réduisant leur temps de réalisation. Un procédé de soudage visant à optimiser la soudure (refroidissement accéléré et meilleure tenue en service) est proposé. Les soudures classiques et améliorées sont comparées. La caractérisation métallurgique et thermique des soudures par aluminothermie est réalisée. Un modèle numérique en couplage thermomécanique est développé afin de déterminer l’effet de l’histoire thermique sur les performances des rails soudés. La simulation est validée avec les résultats expérimentaux. Ce travail aborde l’étude de l’influence des contraintes résiduelles sur la tenue en service des rails soudés par aluminothermie. Les contraintes résiduelles sont déterminées sur des soudures classiques, refroidies rapidement, meulées et martelées. Les résultats des contraintes résiduelles sont analysés et comparés avec ceux obtenus numériquement par éléments finis. Des essais de fatigue sont menés sur les différentes configurations pour évaluer l’influence de ces paramètres sur la durée de vie.On montre dans ce travail que les contraintes résiduelles de traction en présence de défauts jouent un rôle important dans les initiations de rupture dans les soudures aluminothermiques. Le refroidissement accéléré des soudures proposé dans cette étude génère des contraintes résiduelles de compression en peau relativement élevées et améliore la tenue en service. De même, le martelage des cordons des soudures améliore la durée de vie par l’atténuation de l’effet d’entaille. / The aim of this study is to develop a “high performance” aluminothermic weld while reducing its execution time. A welding optimised process (rapid cooling and improved performance) is proposed. The standard and improved welds are compared. The thermal and metallurgical characterization of aluminothermic welds is performed. In order to determine the influence of thermal history on the weld’s performance, a thermomechanical finite element model is developed and validated with experimental results. This study addresses the influence of residual stresses on service performance of aluminothermic welded rails. Residual stresses are determined on standard, quickly cooled, ground and peened welds. The measuring results of residual stresses are analyzed and compared with those obtained numerically by finite elements model. Fatigue tests are carried out on these configurations in order to evaluate the influence of these parameters on the lifetime. The experiments show that tensile residual stresses are detrimental and may lead to failures in the presence of weld defects. The rapid cooling process proposed in this study generates compressive residual stresses and improves service life. Besides, the weld’s fillet peening enhances the fatigue performance by reducing the notch effect.

The aluminothermic (AT) process utilises a self-propagating high-temperature synthesis (SHS) type reaction for producing primarily thermite steel and alumina slag at high temperatures during the welding of rails. In this work, an investigation on the early stages of the aluminothermic process, the separation of AT reaction products and mould filling has been carried out, using both experimental and computational methods to predict the time duration of a complete separation and to obtain a better understanding of the internal multiphase flow within the crucible and mould. The decomposition of AT reaction products after the combustion and the subsequent mould filling by thermite steel and alumina slag have been simulated numerically, using a diffusive phase field and volume-of-fluid model. However, to minimize numerical errors on the input parameters of the high- temperature multiphase flow, a careful review on transport properties has been made. Missing data, e.g. the contact angle of thermite steel on waterglass-bonded mould and crucible wall material has been investigated experimentally. Being further necessary for the prediction of the separation time of AT reaction products in compacted thermite, results on the propagation front velocity show a decreasing trend with increasing initial compact temperature. Further, the combustion front velocity is used for a subsequent analysis of the separation time, which is obtained from the phase distribution of thermite steel, alumina slag and intermetallic compounds, using a combustion front quenching (CFQ) methodology. Moreover, geometric modifications on the crucible and mould have been developed for a reduction in changeover time, as well as an optimized multiphase flow field. Their performance during crucible discharge and mould filling has been verified numerically. Furthermore, alumina slag inclusions have been tracked within the mould using a volume-of-fluid approach with their final positions being verified through an authentic welding. / Während des aluminothermischen (AT) Prozesses findet eine SHS-Reaktion Anwendung, um primär Thermitstahl und Aluminiumoxidschlacke bei hohen Temperaturen für das Verschweißen von Bahnschienen herzustellen. In dieser Arbeit wurden Anfangsstadien, welche die Separation der AT-Reaktionsprodukte sowie das Füllen der Gießform einbeziehen, unter Anwendung von sowohl experimentellen als auch numerischen Verfahren untersucht. Damit konnte die Zeitdauer einer kompletten Separation ermittelt und ein genaueres Verständnis der Mehrphasenströmung in Tiegel und Gießform erlangt werden. Die Separation der AT-Reaktionsprodukte nach der aluminothermischen Reaktion und die anschließende Formfüllung wurden mit einem diffusen Phasenfeld und einem Volume-of-Fluid-Modell numerisch berechnet. Für die Minimierung numerischer Fehler in den Eingangsgrößen dieser Hochtemperatur-Mehrphasenströmungen wurde eine intensive Literaturrecherche durchgeführt und fehlende Parameter, wie zum Beispiel die Kontaktwinkel von Thermitstahl auf Wasserglas gebundenem Form- und Tiegelmaterial, wurden experimentell ermittelt. Messungen der Reaktionsfrontgeschwindigkeit in gepresstem Thermit sind notwendig für eine Vorhersage der Separationszeit der AT-Reaktionsprodukte, und die Ergebnisse zeigen einen linear abfallenden Trend mit zunehmender Anfangstemperatur des verdichteten Materials. In dieser Arbeit wurde die Geschwindigkeit der Reaktionsfront verwendet, um aus der Phasenverteilung von Thermitstahl, Aluminiumoxidschlacke und intermetallischen Verbindungen als Ergebnis des CFQ-Experimentes die Separationszeit in verdichtetem Thermit zu approximieren. Es wurden Modifikationen an Tiegel und Gießform erprobt, die für eine Verbesserung der internen Strömungsführung sowie für die Reduzierung der Umrüstzeit sorgen sollen. Die Effizienz dieser Veränderungen wurde anschließend mit numerischen Methoden überprüft. Des Weiteren konnten durch eine Realschweißung die numerisch vorhergesagten finalen Positionen von Schlackeeinschlüssen innerhalb der Gießform verifiziert werden.

Ziel der Dissertation ist die ebenso valide wie effiziente Vorhersage der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone der Schweißverbindung beim Thermit-Schweißen. Dazu werden reduzierte Modelle vorgestellt, darunter ein niederdimensionales Modell des Schienenstegs und dreidimensionale Modelle des Gießsystems für das Schweißverfahren. Mit dem niederdimensionalen Modell werden mittels Parameterschätzung unbekannte Randbedingungen der Vorwärmung des Gießsystems ermittelt sowie mittels Sensitivitätsanalyse systematisch Einflüsse auf die Schmelz- und die Wärmeeinflusszone untersucht. Durch den systematischen Vergleich der vorgestellten Modelle werden Gültigkeitsgrenzen der Modelle gezielt auf die Modellreduktionen zurückgeführt und über die Modelle hinausgehende Aspekte für die Beschreibung des Schmelz- und Erstarrungsverhaltens identifiziert. Dabei wird die Validität der Modelle anhand von experimentellen Daten der Schmelz- und der Wärmeeinflusszone im Schienenlängsschnitt untersucht. / This dissertation aims at providing a valid and efficient prediction of the melting zone and heat-affected zone of thermite welds. For this purpose, reduced models are presented, including a low-dimensional model of the rail web and three-dimensional models of the casting system for the welding process. With the low-dimensional model, unknown boundary conditions of the preheating of the casting system are determined by means of parameter estimation and influences on the melting zone and the heat-affected zone are systematically examined by means of a sensitivity analysis. By a systematic comparison of the models presented, the validity limits of the models are specifically traced back to the model reductions and aspects beyond these models for the description of the melting and solidification behavior are identified. The validity of the models is examined on the basis of experimental data from the melting zone and the heat-affected zone in the longitudinal section of the rails.