Tříkuželové vrtáky pracují za náročných kombinací abrazivního opotřebení, rázového zatížení, tření, vysokého kontaktního napětí a eroze vrtnou kapalinou . Kritické povrchy kolem kužele, ložiska a přilehlých funkčních oblastí proto mohou během náročných vrtacích operací docházet k rychlému opotřebení.

Laserové navařování poskytuje kontrolovanou metodu nanášení kovového materiálu odolného proti opotřebení konkrétně na tyto oblasti s vysokým zatížením.

Místo úpravy celého vrtáku lokální laserové navařování zpevňuje vybrané povrchy a zároveň minimalizuje zbytečný vstup tepla a spotřebu materiálu , což je vhodné jak pro vylepšení povrchu nových součástí, tak pro vybrané repasované aplikace.

Proč tříkuželové vrtáky vyžadují lokální ochranu povrchu

Během vrtání se kužely nepřetržitě otáčejí proti formaci, zatímco vrták je vystaven značnému axiálnímu zatížení, vibracím a nárazům.

V závislosti na formování a provozních podmínkách mohou povrchy součástí vykazovat:

• Abrazivní opotřebení
• Tření kovu o kov
• Opotřebení lepidlem a oděr
• Poškození nárazem
• Eroze vrtných kapalin
• Lokalizovaná ztráta povrchového materiálu
• Kombinované opotřebení a koroze

Závažnost těchto mechanismů není v celé složce jednotná.

Některé funkční povrchy jsou vystaveny výrazně vyššímu kontaktnímu a opotřebovacímu zatížení než okolní oblasti. Díky tomu je cílené povrchové inženýrství obzvláště cenné.

Laserové opláštění kritických opotřebovaných oblastí

Během laserového navařování je prášek kovové slitiny přiváděn do přesně řízené laserem generované tavné nádrže.

Tenká oblast substrátu a vstřikovaný prášek se spojí a vytvoří hustou nanesenou vrstvu s metalurgickou vazbou na základní materiál.

U aplikací s trikonickými vrtáky lze dráhu laseru naprogramovat specificky kolem vybraných oblastí opotřebení.

Cílem je získat:

Silná metalurgická vazba + kontrolované ředění + vysoká odolnost proti opotřebení + omezený tepelný příkon + přesné lokalizované nanášení.

To se liší od pouhého nanesení silného povlaku na celou součást. Proces je navržen s ohledem na skutečný mechanismus opotřebení a geometrii kritické oblasti.

Typické oblasti obkladů

V závislosti na konstrukci vrtáku a mechanismu selhání lze pro vybrané oblasti, jako například: zvážit laserové opláštění.

• Opotřebitelné plochy související s kuželem
• Povrchy přiléhající k ložisku
• Regiony časopisu a podpory
• Kontaktní plochy s vysokým třením
• Lokalizované erozní zóny
• Jiné povrchy vyžadující dodatečnou ochranu proti opotřebení

Přesná poloha opláštění by měla být určena z výkresu součásti, provozních podmínek a skutečného vzoru opotřebení.

U složitých vrtaných součástí je třeba se vyhnout zbytečnému usazování. Materiál by měl být koncentrován tam, kde dodatečný povrchový výkon poskytuje měřitelnou hodnotu.

Obkladové materiály odolné proti opotřebení

Slitiny na bázi kobaltu, jako je Stellite 6, lze použít ve vybraných aplikacích vrtacích nástrojů, kde je vyžadována odolnost proti opotřebení, zadření a degradaci při zvýšených teplotách.

Stelit 6 kombinuje tvrdost s relativně dobrou houževnatostí a běžně se používá pro součásti vystavené kluznému opotřebení a náročným kontaktním podmínkám.

Výběr slitiny by však měl vždy záviset na skutečné aplikaci.

V závislosti na: mohou být vhodnější jiné systémy na bázi kobaltu, niklu nebo železa.

• Základní materiál
• Mechanismus opotřebení
• Nárazové zatížení
• Provozní teplota
• Žíravé prostředí
• Požadovaná tvrdost
• Požadavky na obrábění

Pro náročné abrazivní podmínky lze vyhodnotit také systémy materiálů vyztužených tvrdou fází.

Optimální materiál proto nemusí být nutně slitina s nejvyšší tvrdostí, ale ta, která poskytuje vhodnou rovnováhu mezi odolností proti opotřebení, houževnatostí, odolností proti praskání a metalurgickou kompatibilitou.

Předehřívání a kontrola trhlin

Vrtací komponenty se často vyrábějí z vysokopevnostních legovaných ocelí. Pokud se tyto substráty kombinují s relativně tvrdými plátovacími materiály, je nutné pečlivě kontrolovat tepelné namáhání a praskání.

Předehřev proto může tvořit důležitou součást procesu laserového navařování.

V jedné reprezentativní aplikaci s trikonickou vrtačkou byla součástka před nanášením pomocí Stellitu 6 předehřátá na přibližně 300 °C.

Tato hodnota by měla být považována spíše za projektově specifickou procesní podmínku než za univerzální parametr.

Vhodná teplota předehřevu závisí na:

složení substrátu + geometrie součásti + slitina pláště + tloušťka naneseného materiálu + tepelný příkon + podmínky chlazení.

Mezivrstvá teplota a strategie chlazení po plátování mohou také vyžadovat regulaci u náročných kombinací materiálů.

Složitá geometrie vyžaduje řízený pohyb

Součásti tříkuželových vrtáků obsahují zakřivené, šikmé a přerušované povrchy, které nelze vždy efektivně opracovat jednoduchým lineárním pohybem.

Navařovací hlava musí během nanášení udržovat vhodný vztah s cílovým povrchem.

V závislosti na geometrii součásti může systém zpracování vyžadovat koordinované:

• Rotační pohyb
• Lineární polohování
• Víceosá interpolace
• Orientace laserové hlavy
• Polohování obrobku

Lze také navrhnout specializované upínací přípravky, které drží součástku ve vhodném úhlu a umožňují přístup k obtížně opracovatelným oblastem opláštění.

Pro tento typ aplikace je návrh přípravku a řízení pohybu nedílnou součástí procesu laserového navařování.

Parametry procesu musí být vyvinuty s ohledem na danou součást

Úspěšné laserové opláštění vyžaduje koordinaci více proměnných, spíše než spoléhání se pouze na výkon laseru.

Mezi důležité parametry patří:

• Výkon laseru
• Velikost paprsku
• Rychlost jízdy
• Rychlost podávání prášku
• Překrývání tratí
• Nanesená tloušťka
• Ochranný plyn
• Předehřívací teplota
• Meziprůchodová teplota
• Úhel dopadu laseru

Tyto parametry ovlivňují ředění, geometrii povlaku, metalurgické spojení, tvrdost, sklon k praskání a tepelný příkon.

U vrtacích nástrojů by proto vývoj procesu měl začít u skutečného substrátu, materiálu plátování a geometrie součásti.

Klíčové výhody vrtacích komponentů

Při správném návrhu může laserové opláštění poskytnout několik výhod pro trikonické vrtáky a podobné vrtací komponenty.

Lokální ochrana proti opotřebení: Materiál se nanáší cíleně na kritické povrchy, místo aby pokrýval celou součástku.

Metalurgické spojení: Nanesená vrstva tvoří metalurgické rozhraní se substrátem.

Řízený přívod tepla: Lokalizovaná laserová energie snižuje zbytečný tepelný vliv na okolní oblasti.

Materiálová účinnost: Vysoce výkonný legující prášek je koncentrován tam, kde je funkčně potřebný.

Zlepšení vlastností povrchu: Vhodné slitiny mohou zlepšit odolnost vůči abrazivnímu opotřebení, zadření, erozi a dalším závažným mechanismům degradace povrchu.

Geometrická flexibilita: CNC a víceosý pohyb umožňují zpracování složitých opotřebovaných oblastí pomocí řízených nanášecích drah.

Výztuž a repasování nových komponentů

Laserové opláštění lze zvážit v různých fázích životního cyklu vrtacího komponentu.

U nových součástí lze vybrané povrchy s vysokým opotřebením před servisem zesílit, aby se zvýšila jejich odolnost vůči náročným provozním podmínkám.

U součástí poškozených provozem lze k obnově vybraných opotřebovaných povrchů použít laserové navařování, pokud je podkladová součást stále vhodná pro repasi.

Zda je použitý vrtací komponent vhodný k opravě, by mělo být před zpracováním zjištěno kontrolou. Komponenty se strukturálními trhlinami, silnou deformací nebo nepřijatelným poškozením podkladu by neměly být automaticky považovány za opravitelné pouze proto, že se na povrchu může usazovat materiál.

Aplikace nad rámec trikonických bitů

Stejný princip lokalizovaného povrchového inženýrství lze rozšířit i na další vrtné a ropné komponenty vystavené silnému opotřebení, včetně:

• Součásti pro válcové kuželové vrtání
• Stabilizátory
• Noste rukávy
• Povrchy vrtných nástrojů
• Opotřebitelné součásti vrtných kolon
• Další komponenty pro ropná pole s vysokým zatížením

Každá aplikace vyžaduje individuální posouzení mechanismu opotřebení, substrátu, geometrie a provozního prostředí.

Řešení GREENSTONE pro laserové opláštění vrtacích nástrojů

Společnost GREENSTONE poskytuje řešení pro laserové plátování a zařízení pro vrtací nástroje a další průmyslové komponenty vyžadující lokální vylepšení povrchu odolného proti opotřebení.

Pro složité vrtací komponenty mohou řešení kombinovat přesné podávání prášku, CNC nebo víceosý pohyb, rotační polohování a přizpůsobené upínací přípravky podle geometrie skutečného obrobku.

Vývoj procesu může zahrnovat také výběr materiálu pro obklad, strategii předehřevu, optimalizaci parametrů a testování vzorků před konečnou konfigurací zařízení.

Pro projekt laserového plátování vrtacího nástroje poskytněte výkres nebo fotografie součásti, základní materiál, požadovanou polohu plátování, mechanismus opotřebení, požadovanou tloušťku povlaku, preferovanou slitinu, pokud je specifikována, a provozní podmínky . Tyto parametry lze poté použít k vyhodnocení vhodného plátovacího materiálu, strategie zpracování a konfigurace zařízení.