Las brocas tricónicas operan bajo condiciones extremas de desgaste abrasivo, cargas de impacto, fricción, alta tensión de contacto y erosión por fluido de perforación . Por lo tanto, las superficies críticas alrededor del cono, el cojinete y las áreas funcionales adyacentes pueden sufrir un rápido deterioro durante operaciones de perforación exigentes.

El revestimiento láser proporciona un método controlado para aplicar material metálico resistente al desgaste específicamente en estas zonas de alta carga.

En lugar de modificar toda la broca, el revestimiento láser localizado refuerza superficies seleccionadas a la vez que minimiza el aporte innecesario de calor y el consumo de material , lo que lo hace adecuado tanto para la mejora de la superficie de componentes nuevos como para aplicaciones de remanufactura seleccionadas.

Por qué las brocas tricónicas requieren protección superficial localizada

Durante la perforación, los conos giran continuamente contra la formación mientras la broca está sometida a una carga axial, vibración e impacto sustanciales.

Dependiendo de la formación y las condiciones de funcionamiento, las superficies de los componentes pueden experimentar:

• Desgaste abrasivo
• Fricción metal-metal
• Desgaste y rozamiento del adhesivo
• Daños por impacto
• Erosión por fluidos de perforación
• Pérdida localizada de material superficial
• Desgaste y corrosión combinados

La gravedad de estos mecanismos no es uniforme en todo el componente.

Ciertas superficies funcionales experimentan cargas de contacto y desgaste significativamente mayores que las áreas circundantes. Esto hace que la ingeniería de superficies específica sea particularmente valiosa.

Revestimiento láser de zonas de desgaste crítico

Durante el proceso de revestimiento láser, el polvo de aleación metálica se introduce en un baño de fusión generado por láser y controlado con precisión.

Una fina región del sustrato y el polvo inyectado se funden, produciendo una capa densa depositada con unión metalúrgica al material base.

En las aplicaciones con brocas tricónicas, la trayectoria del láser se puede programar específicamente alrededor de las zonas de desgaste seleccionadas.

El objetivo es obtener:

Fuerte unión metalúrgica + dilución controlada + alta resistencia al desgaste + aporte térmico limitado + deposición localizada precisa.

Esto difiere de simplemente aplicar una capa gruesa sobre todo el componente. El proceso está diseñado en función del mecanismo de desgaste y la geometría específicos de la zona crítica.

Áreas típicas de revestimiento

Dependiendo del diseño de la broca y del mecanismo de falla, se puede considerar el revestimiento láser para regiones seleccionadas como:

• Superficies de desgaste relacionadas con conos
• Superficies adyacentes a los apoyos
• Regiones de revistas y apoyo
• Zonas de contacto de alta fricción
• Zonas de erosión localizadas
• Otras superficies que requieren protección adicional contra el desgaste

La posición exacta del revestimiento debe determinarse a partir del plano del componente, las condiciones de funcionamiento y el patrón de desgaste real.

Para componentes de perforación complejos, debe evitarse la deposición innecesaria de material. Este debe concentrarse donde el rendimiento superficial adicional aporte un valor cuantificable.

Materiales de revestimiento resistentes al desgaste

Las aleaciones a base de cobalto, como Stellite 6, pueden utilizarse en determinadas aplicaciones de herramientas de perforación donde se requiere resistencia al desgaste, al agarrotamiento y a la degradación por altas temperaturas.

El Stellite 6 combina dureza con una tenacidad relativamente buena y se suele considerar para componentes sometidos a desgaste por deslizamiento y condiciones de contacto severas.

Sin embargo, la selección de la aleación siempre debe depender de la aplicación específica.

Dependiendo de:

• material de base
• Mecanismo de desgaste
• Carga de impacto
• Temperatura de funcionamiento
• Entorno corrosivo
• Dureza requerida
• Requisitos de mecanizado

Para condiciones de abrasión severas, también se pueden evaluar sistemas de materiales reforzados con fase dura.

Por lo tanto, el material óptimo no es necesariamente la aleación con la mayor dureza, sino aquella que proporciona el equilibrio adecuado entre resistencia al desgaste, tenacidad, resistencia al agrietamiento y compatibilidad metalúrgica.

Precalentamiento y control de grietas

Los componentes de perforación suelen fabricarse con aceros aleados de alta resistencia. Cuando estos sustratos se combinan con materiales de revestimiento relativamente duros, es necesario controlar cuidadosamente las tensiones térmicas y el agrietamiento.

Por lo tanto, el precalentamiento puede constituir una parte importante del proceso de revestimiento láser.

En una aplicación representativa de broca tricónica, el componente se precalentó a aproximadamente 300 °C antes de la deposición con Stellite 6.

Este valor debe tratarse como una condición de proceso específica del proyecto, en lugar de un parámetro universal.

La temperatura de precalentamiento adecuada depende de:

Composición del sustrato + geometría del componente + aleación de revestimiento + espesor depositado + aporte de calor + condiciones de enfriamiento.

La temperatura entre pasadas y la estrategia de enfriamiento posterior al revestimiento también pueden requerir control para combinaciones de materiales exigentes.

La geometría compleja requiere movimiento controlado.

Los componentes de las brocas tricónicas contienen superficies curvas, inclinadas e interrumpidas que no siempre pueden procesarse eficazmente mediante un simple movimiento lineal.

El cabezal de revestimiento debe mantener una relación adecuada con la superficie objetivo mientras se lleva a cabo la deposición.

Dependiendo de la geometría del componente, el sistema de procesamiento puede requerir coordinación:

• movimiento rotatorio
• Posicionamiento lineal
• Interpolación multieje
• Orientación del cabezal láser
• Posicionamiento de la pieza de trabajo

También se pueden diseñar soportes específicos para sujetar el componente en el ángulo adecuado y facilitar el acceso a zonas de difícil acceso del revestimiento.

Para este tipo de aplicaciones, el diseño de la fijación y el control del movimiento son partes integrales del proceso de revestimiento láser.

Los parámetros del proceso deben desarrollarse en torno al componente.

Para lograr un revestimiento láser exitoso se requiere la coordinación de múltiples variables, en lugar de depender únicamente de la potencia del láser.

Los parámetros importantes incluyen:

• potencia del láser
• Tamaño del haz
• La velocidad de desplazamiento
• Velocidad de alimentación del polvo
• Superposición de pistas
• Espesor depositado
• Gas protector
• Temperatura de precalentamiento
• Temperatura entre pasos
• Ángulo de incidencia del láser

Estos parámetros influyen en la dilución, la geometría del recubrimiento, la unión metalúrgica, la dureza, la tendencia al agrietamiento y el aporte de calor.

Por lo tanto, en el caso de las herramientas de perforación, el desarrollo del proceso debe comenzar con el sustrato, el material de revestimiento y la geometría del componente.

Ventajas clave para componentes de perforación

Cuando se diseña adecuadamente, el revestimiento láser puede proporcionar varias ventajas para las brocas tricónicas y componentes de perforación similares.

Protección contra el desgaste localizada: El material se deposita específicamente en las superficies críticas en lugar de cubrir todo el componente.

Unión metalúrgica: La capa depositada forma una interfaz metalúrgica con el sustrato.

Aporte de calor controlado: La energía láser localizada reduce la influencia térmica innecesaria en las zonas circundantes.

Eficiencia del material: El polvo de aleación de alto rendimiento se concentra donde se requiere funcionalmente.

Mejora del rendimiento superficial: Las aleaciones adecuadas pueden mejorar la resistencia al desgaste abrasivo, al agarrotamiento, a la erosión y a otros mecanismos severos de degradación de la superficie.

Flexibilidad geométrica: El control numérico computarizado (CNC) y el movimiento multieje permiten procesar áreas de desgaste complejas con trayectorias de deposición controladas.

Refuerzo y remanufactura de nuevos componentes

El revestimiento láser puede considerarse en diferentes etapas del ciclo de vida de un componente de perforación.

En el caso de componentes nuevos , se pueden reforzar ciertas superficies de alto desgaste antes de su puesta en servicio para mejorar su resistencia a condiciones de funcionamiento exigentes.

En el caso de componentes dañados durante su uso , se puede utilizar el revestimiento láser para restaurar superficies desgastadas seleccionadas cuando el componente subyacente aún es apto para su remanufactura.

La idoneidad de un componente de perforación usado para su reparación debe determinarse mediante inspección previa al procesamiento. Los componentes con fisuras estructurales, deformaciones severas o daños inaceptables en el sustrato no deben considerarse reparables automáticamente solo porque se pueda depositar material en la superficie.

Aplicaciones más allá de las brocas tricónicas

El mismo principio de ingeniería de superficies localizadas puede extenderse a otros componentes de perforación y de yacimientos petrolíferos sometidos a un desgaste severo, entre ellos:

• Componentes de perforación de cono de rodillo
• Estabilizadores
• Usar mangas
• Superficies de herramientas de fondo de pozo
• Componentes de desgaste de la sarta de perforación
• Otros componentes de alta carga para yacimientos petrolíferos

Cada aplicación requiere una evaluación individual del mecanismo de desgaste, el sustrato, la geometría y el entorno operativo.

Soluciones de revestimiento láser GRIENSTONE para herramientas de perforación

GREESTONE proporciona soluciones de procesos y equipos de revestimiento láser para herramientas de perforación y otros componentes industriales que requieren una mejora superficial localizada y resistente al desgaste.

Para componentes de perforación complejos, las soluciones pueden combinar alimentación de polvo de precisión, movimiento CNC o multieje, posicionamiento rotatorio y fijaciones personalizadas según la geometría de la pieza de trabajo.

El desarrollo del proceso también puede incluir la selección del material de revestimiento, la estrategia de precalentamiento, la optimización de parámetros y las pruebas de muestras antes de la configuración final del equipo.

Para un proyecto de revestimiento láser de herramientas de perforación, proporcione el plano o las fotografías del componente, el material base, la posición de revestimiento requerida, el mecanismo de desgaste, el espesor de recubrimiento deseado, la aleación preferida (si se especifica) y las condiciones de operación . Estos parámetros se pueden utilizar para evaluar el material de revestimiento, la estrategia de procesamiento y la configuración del equipo adecuados.