Les trépans tricônes fonctionnent dans des conditions extrêmes combinant usure abrasive, chocs, frottement, fortes contraintes de contact et érosion par le fluide de forage . Les surfaces critiques autour du cône, du palier et des zones fonctionnelles adjacentes peuvent donc se détériorer rapidement lors d'opérations de forage exigeantes.

Le rechargement laser offre une méthode contrôlée pour appliquer un matériau métallique résistant à l'usure spécifiquement sur ces zones fortement sollicitées.

Plutôt que de modifier l'ensemble du foret, le rechargement laser localisé renforce les surfaces sélectionnées tout en minimisant l'apport de chaleur inutile et la consommation de matériaux , ce qui le rend adapté à la fois à l'amélioration de la surface des nouveaux composants et à certaines applications de remise à neuf.

Pourquoi les forets tricônes nécessitent une protection de surface localisée

Lors du forage, les cônes tournent continuellement contre la formation tandis que le trépan est soumis à une charge axiale, à des vibrations et à des impacts importants.

Selon leur formation et les conditions de fonctionnement, les surfaces des composants peuvent subir :

• L'usure abrasive
• Frottement métal sur métal
• Usure adhésive et grippage
• Dégâts d'impact
• Érosion par fluide de forage
• Perte localisée de matière superficielle
• Usure et corrosion combinées

La gravité de ces mécanismes n'est pas uniforme sur l'ensemble du composant.

Certaines surfaces fonctionnelles subissent des charges de contact et d'usure nettement supérieures à celles des zones environnantes. C'est pourquoi l'ingénierie de surface ciblée est particulièrement précieuse.

Rechargement laser des zones d'usure critiques

Lors du rechargement laser, la poudre d'alliage métallique est introduite dans un bain de fusion généré par laser et contrôlé avec précision.

Une fine zone du substrat et la poudre injectée fusionnent, produisant une couche déposée dense avec une liaison métallurgique au matériau de base.

Pour les applications de forets tricones, le trajet du laser peut être programmé spécifiquement autour de zones d'usure sélectionnées.

L'objectif est d'obtenir :

Liaison métallurgique solide + dilution contrôlée + haute résistance à l'usure + apport de chaleur limité + dépôt localisé précis.

Cela diffère de la simple application d'un revêtement épais sur l'ensemble du composant. Le procédé est conçu en fonction du mécanisme d'usure et de la géométrie réels de la zone critique.

Zones de revêtement typiques

En fonction de la conception du foret et du mécanisme de défaillance, le rechargement laser peut être envisagé pour certaines régions telles que :

• surfaces d'usure liées au cône
• surfaces adjacentes à l'appui
• Journal et régions de soutien
• Zones de contact à forte friction
• Zones d'érosion localisées
• Autres surfaces nécessitant une protection supplémentaire contre l'usure

La position exacte du revêtement doit être déterminée à partir du dessin du composant, des conditions de fonctionnement et du schéma d'usure réel.

Pour les composants de perçage complexes, il convient d'éviter tout dépôt inutile. Le matériau doit être concentré là où l'amélioration des performances de surface apporte une valeur ajoutée mesurable.

Matériaux de revêtement résistants à l'usure

Les alliages à base de cobalt tels que le Stellite 6 peuvent être utilisés dans certaines applications d'outils de forage où une résistance à l'usure, au grippage et à la dégradation à haute température est requise.

Le Stellite 6 allie dureté et ténacité relativement bonne et est couramment utilisé pour les composants soumis à l'usure par glissement et à des conditions de contact sévères.

Toutefois, le choix de l'alliage doit toujours dépendre de l'application réelle.

D'autres systèmes à base de cobalt, de nickel ou de fer peuvent être plus appropriés selon :

• Matériau de base
• mécanisme d'usure
• Charge d'impact
• Température de fonctionnement
• Environnement corrosif
• Dureté requise
• Exigences d'usinage

Pour les conditions d'abrasion sévères, des systèmes de matériaux renforcés par une phase dure peuvent également être évalués.

Le matériau optimal n’est donc pas nécessairement l’alliage ayant la plus grande dureté, mais celui offrant le juste équilibre entre résistance à l’usure, ténacité, résistance à la fissuration et compatibilité métallurgique.

Préchauffage et contrôle des fissures

Les composants de forage sont souvent fabriqués à partir d'aciers alliés à haute résistance. Lorsque ces substrats sont associés à des matériaux de revêtement relativement durs, les contraintes thermiques et la fissuration doivent être soigneusement contrôlées.

Le préchauffage peut donc constituer une partie importante du processus de rechargement laser.

Dans une application représentative de trépan tricone, le composant a été préchauffé à environ 300 °C avant le dépôt avec Stellite 6.

Cette valeur doit être considérée comme une condition de processus spécifique au projet plutôt que comme un paramètre universel.

La température de préchauffage appropriée dépend de :

Composition du substrat + géométrie des composants + alliage de revêtement + épaisseur déposée + apport de chaleur + conditions de refroidissement.

La température entre les passes et la stratégie de refroidissement après le revêtement peuvent également nécessiter un contrôle pour les combinaisons de matériaux exigeantes.

Une géométrie complexe nécessite un mouvement contrôlé

Les composants des forets tricônes comportent des surfaces courbes, inclinées et interrompues qui ne peuvent pas toujours être traitées efficacement par un simple mouvement linéaire.

La tête de revêtement doit maintenir une relation appropriée avec la surface cible pendant toute la durée du dépôt.

Selon la géométrie des composants, le système de traitement peut nécessiter une coordination :

• Mouvement rotatif
• positionnement linéaire
• Interpolation multi-axes
• Orientation de la tête laser
• Positionnement de la pièce

Des dispositifs spécifiques peuvent également être conçus pour maintenir le composant à un angle approprié et permettre l'accès aux zones de revêtement difficiles d'accès.

Pour ce type d'application, la conception du dispositif de fixation et le contrôle du mouvement font partie intégrante du processus de rechargement laser.

Les paramètres du processus doivent être élaborés en fonction du composant.

La réussite du rechargement laser nécessite la coordination de multiples variables plutôt que de s'appuyer uniquement sur la puissance du laser.

Les paramètres importants incluent :

• Puissance du laser
• Taille du faisceau
• Vitesse de Voyage
• Débit d'alimentation en poudre
• Chevauchement des pistes
• Épaisseur déposée
• Gaz de protection
• Température de préchauffage
• Température intermédiaire
• angle d'incidence du laser

Ces paramètres influencent la dilution, la géométrie du revêtement, la liaison métallurgique, la dureté, la tendance à la fissuration et l'apport de chaleur.

Pour les outils de forage, le développement du processus doit donc commencer par le substrat proprement dit, le matériau de revêtement et la géométrie du composant.

Principaux avantages des composants de forage

Correctement conçu, le rechargement laser peut offrir plusieurs avantages pour les forets triconiques et les composants de forage similaires.

Protection localisée contre l'usure : le matériau est déposé spécifiquement sur les surfaces critiques au lieu de recouvrir la totalité du composant.

Liaison métallurgique : La couche déposée forme une interface métallurgique avec le substrat.

Apport de chaleur contrôlé : L'énergie laser localisée réduit l'influence thermique inutile sur les zones environnantes.

Efficacité des matériaux : La poudre d'alliage haute performance est concentrée là où elle est fonctionnellement requise.

Amélioration des performances de surface : des alliages appropriés peuvent améliorer la résistance à l’usure abrasive, au grippage, à l’érosion et à d’autres mécanismes de dégradation de surface sévères.

Flexibilité géométrique : la commande numérique et le mouvement multi-axes permettent de traiter des zones d'usure complexes avec des trajectoires de dépôt contrôlées.

Renforcement et remise à neuf de nouveaux composants

Le rechargement laser peut être envisagé à différentes étapes du cycle de vie d'un composant de forage.

Pour les composants neufs , certaines surfaces à forte usure peuvent être renforcées avant la mise en service afin d'améliorer leur résistance aux conditions de fonctionnement exigeantes.

Pour les composants endommagés en service , le rechargement laser peut être utilisé pour restaurer certaines surfaces usées lorsque le composant sous-jacent reste apte à la remise à neuf.

Avant toute réparation, il convient de déterminer si un composant de forage usagé est réparable. Les composants présentant des fissures structurelles, des déformations importantes ou des dommages inacceptables au niveau du substrat ne doivent pas être considérés comme réparables du seul fait qu'il est possible de déposer de la matière en surface.

Applications autres que les mèches tricônes

Le même principe d'ingénierie de surface localisée peut être étendu à d'autres composants de forage et de champs pétrolifères soumis à une usure importante, notamment :

• Composants de forage à cônes de rouleaux
• Stabilisants:
• Portez des manches
• surfaces d'outils de fond de puits
• composants d'usure de la garniture de forage
• Autres composants à forte charge pour champs pétrolifères

Chaque application nécessite une évaluation individuelle du mécanisme d'usure, du substrat, de la géométrie et de l'environnement d'exploitation.

Solutions de rechargement laser GREENSTONE pour outils de forage

GREENSTONE propose des procédés et des équipements de rechargement laser pour les outils de forage et autres composants industriels nécessitant un renforcement localisé de la surface résistante à l'usure.

Pour les composants de perçage complexes, les solutions peuvent combiner une alimentation en poudre de précision, un mouvement CNC ou multi-axes, un positionnement rotatif et des dispositifs de fixation personnalisés en fonction de la géométrie de la pièce réelle.

Le développement du procédé peut également inclure la sélection du matériau de revêtement, la stratégie de préchauffage, l'optimisation des paramètres et les essais d'échantillons avant la configuration finale de l'équipement.

Pour un projet de rechargement laser d'outils de perçage, veuillez fournir le dessin ou les photographies de la pièce, le matériau de base, la position de rechargement souhaitée, le mécanisme d'usure, l'épaisseur de revêtement désirée, l'alliage préféré (le cas échéant) et les conditions de fonctionnement . Ces paramètres permettront d'évaluer le matériau de rechargement approprié, la stratégie de traitement et la configuration de l'équipement.