Le punte da trapano tricono operano in condizioni estreme, caratterizzate da usura abrasiva, carichi d'impatto, attrito, elevate sollecitazioni di contatto ed erosione da fluido di perforazione . Le superfici critiche attorno al cono, al cuscinetto e alle aree funzionali adiacenti possono quindi subire un rapido deterioramento durante operazioni di perforazione impegnative.

La placcatura laser offre un metodo controllato per applicare materiale metallico resistente all'usura specificamente in queste zone soggette a carichi elevati.

Anziché modificare l'intera punta del trapano, il rivestimento laser localizzato rinforza superfici selezionate riducendo al minimo l'apporto di calore non necessario e il consumo di materiale , risultando quindi adatto sia al miglioramento superficiale di componenti nuovi che ad applicazioni di rigenerazione mirate.

Perché le punte da trapano tricono richiedono una protezione superficiale localizzata

Durante la perforazione, i coni ruotano continuamente contro la formazione rocciosa, mentre la punta è soggetta a notevoli carichi assiali, vibrazioni e impatti.

A seconda della formazione e delle condizioni operative, le superfici dei componenti possono subire le seguenti modifiche:

• Usura abrasiva
• Attrito metallo-metallo
• Usura adesiva e grippaggio
• Danno da impatto
• erosione da fluido di perforazione
• Perdita localizzata di materiale superficiale
• Usura e corrosione combinate

La gravità di questi meccanismi non è uniforme in tutto il componente.

Alcune superfici funzionali sono soggette a carichi di contatto e usura significativamente superiori rispetto alle aree circostanti. Ciò rende l'ingegneria mirata delle superfici particolarmente preziosa.

Rivestimento laser delle aree soggette a usura critica

Durante il processo di rivestimento laser, la polvere di lega metallica viene depositata in un bagno di fusione generato dal laser e controllato con precisione.

Una sottile regione del substrato e la polvere iniettata si fondono insieme, producendo uno strato depositato denso con legame metallurgico al materiale di base.

Nelle applicazioni con punte tricone, il percorso del laser può essere programmato in modo specifico attorno a determinate zone di usura.

L'obiettivo è ottenere:

Forte legame metallurgico + diluizione controllata + elevata resistenza all'usura + apporto termico limitato + deposizione localizzata precisa.

Questo processo si differenzia dalla semplice applicazione di un rivestimento spesso sull'intero componente. Il procedimento è progettato in base al meccanismo di usura e alla geometria specifici dell'area critica.

Aree tipiche di rivestimento

A seconda del design della punta di trapano e del meccanismo di rottura, il rivestimento laser può essere preso in considerazione per determinate aree, quali:

• Superfici di usura correlate al cono
• superfici adiacenti al cuscinetto
• Rivista e regioni di supporto
• Zone di contatto ad alto attrito
• Zone di erosione localizzate
• Altre superfici che richiedono una maggiore protezione dall'usura

La posizione esatta del rivestimento deve essere determinata in base al disegno del componente, alle condizioni operative e all'effettiva usura.

Per i componenti di foratura complessi, è opportuno evitare depositi superflui. Il materiale dovrebbe essere concentrato laddove le prestazioni superficiali aggiuntive offrono un valore misurabile.

Materiali di rivestimento resistenti all'usura

Le leghe a base di cobalto, come la Stellite 6, possono essere utilizzate in specifiche applicazioni di utensili da foratura dove è richiesta resistenza all'usura, al grippaggio e al degrado dovuto alle alte temperature.

La Stellite 6 combina durezza e tenacità relativamente buona ed è comunemente utilizzata per componenti soggetti a usura da scorrimento e a condizioni di contatto severe.

Tuttavia, la scelta della lega dovrebbe sempre dipendere dall'applicazione specifica.

Altri sistemi a base di cobalto, nichel o ferro potrebbero essere più appropriati a seconda di:

• Materiale di base
• Meccanismo di usura
• Carico d'impatto
• Funzionamento
• Ambiente corrosivo
• Durezza richiesta
• Requisiti di lavorazione

In presenza di condizioni abrasive severe, si possono valutare anche sistemi di materiali rinforzati con fase dura.

Il materiale ottimale non è quindi necessariamente la lega con la massima durezza, bensì quella che offre il giusto equilibrio tra resistenza all'usura, tenacità, resistenza alle cricche e compatibilità metallurgica.

Preriscaldamento e controllo delle crepe

I componenti per la perforazione sono spesso realizzati in acciai legati ad alta resistenza. Quando questi substrati vengono combinati con materiali di rivestimento relativamente duri, è necessario controllare attentamente le sollecitazioni termiche e la formazione di cricche.

Il preriscaldamento può quindi costituire una parte importante del processo di rivestimento laser.

In un'applicazione rappresentativa della punta triconica, il componente è stato preriscaldato a circa 300 °C prima della deposizione di Stellite 6.

Questo valore dovrebbe essere considerato una condizione di processo specifica del progetto, piuttosto che un parametro universale.

La temperatura di preriscaldamento appropriata dipende da:

composizione del substrato + geometria del componente + lega di rivestimento + spessore depositato + apporto termico + condizioni di raffreddamento.

Anche la temperatura tra le passate e la strategia di raffreddamento post-rivestimento potrebbero richiedere un controllo per combinazioni di materiali particolarmente impegnative.

La geometria complessa richiede un movimento controllato.

I componenti delle punte da trapano tricono presentano superfici curve, inclinate e interrotte che non sempre possono essere lavorate efficacemente con un semplice movimento lineare.

Durante il processo di deposizione, la testa di rivestimento deve mantenere un rapporto adeguato con la superficie di destinazione.

A seconda della geometria dei componenti, il sistema di elaborazione potrebbe richiedere:

• Movimento rotatorio
• Posizionamento lineare
• Interpolazione multiasse
• Orientamento della testa laser
• Posizionamento del pezzo

È inoltre possibile progettare appositi dispositivi di fissaggio per mantenere il componente all'angolazione appropriata e consentire l'accesso a zone di rivestimento difficili da raggiungere.

Per questo tipo di applicazione, la progettazione del dispositivo di fissaggio e il controllo del movimento sono parte integrante del processo di rivestimento laser.

I parametri di processo devono essere sviluppati attorno al componente

Per una deposizione laser efficace è necessario coordinare molteplici variabili, anziché affidarsi esclusivamente alla potenza del laser.

I parametri importanti includono:

• potenza del laser
• Dimensioni del raggio
• Velocità di marcia
• Tasso di alimentazione della polvere
• Sovrapposizione delle tracce
• Spessore depositato
• Gas di protezione
• Temperatura di preriscaldamento
• Temperatura di interpassaggio
• angolo di incidenza del laser

Questi parametri influenzano la diluizione, la geometria del rivestimento, il legame metallurgico, la durezza, la tendenza alla fessurazione e l'apporto termico.

Per gli utensili di foratura, lo sviluppo del processo dovrebbe quindi iniziare dal substrato, dal materiale di rivestimento e dalla geometria del componente.

Principali vantaggi dei componenti di foratura

Se progettata correttamente, la placcatura laser può offrire diversi vantaggi per le punte tricono e componenti di perforazione simili.

Protezione localizzata dall'usura: il materiale viene depositato specificamente sulle superfici critiche anziché ricoprire l'intero componente.

Legame metallurgico: lo strato depositato forma un'interfaccia metallurgica con il substrato.

Apporto termico controllato: l'energia laser localizzata riduce l'influenza termica non necessaria sulle aree circostanti.

Efficienza dei materiali: la polvere di lega ad alte prestazioni è concentrata dove è funzionalmente richiesta.

Miglioramento delle prestazioni superficiali: le leghe appropriate possono migliorare la resistenza all'usura abrasiva, al grippaggio, all'erosione e ad altri gravi meccanismi di degrado superficiale.

Flessibilità geometrica: il controllo numerico (CNC) e il movimento multiasse consentono di lavorare aree di usura complesse con percorsi di deposizione controllati.

Rinforzo e rigenerazione di nuovi componenti

La placcatura laser può essere presa in considerazione in diverse fasi del ciclo di vita di un componente di perforazione.

Per i nuovi componenti , alcune superfici soggette a forte usura possono essere rinforzate prima dell'uso per migliorarne la resistenza a condizioni operative gravose.

Per i componenti danneggiati durante l'esercizio , la placcatura laser può essere utilizzata per ripristinare determinate superfici usurate, a condizione che il componente sottostante sia ancora idoneo alla rigenerazione.

Prima di procedere alla riparazione, è necessario ispezionare il componente di perforazione usato per determinarne l'idoneità. I ​​componenti con crepe strutturali, gravi deformazioni o danni inaccettabili al substrato non devono essere considerati automaticamente riparabili solo perché è possibile depositare del materiale sulla superficie.

Applicazioni che vanno oltre le punte Tricone

Lo stesso principio di ingegneria di superficie localizzata può essere esteso ad altri componenti di perforazione e dei giacimenti petroliferi soggetti a forte usura, tra cui:

• Componenti di perforazione a rulli conici
• stabilizzatori
• Maniche di abbigliamento
• superfici degli utensili di fondo pozzo
• Componenti soggetti a usura nella colonna di perforazione
• Altri componenti per giacimenti petroliferi ad alto carico

Ogni applicazione richiede una valutazione individuale del meccanismo di usura, del substrato, della geometria e dell'ambiente operativo.

Soluzioni di rivestimento laser GREENSTONE per utensili di perforazione

GREENSTONE offre soluzioni di processo e attrezzature per la placcatura laser di utensili di perforazione e altri componenti industriali che richiedono un trattamento superficiale localizzato per la resistenza all'usura.

Per componenti di foratura complessi, le soluzioni possono combinare l'alimentazione di precisione delle polveri, il movimento CNC o multiasse, il posizionamento rotativo e dispositivi di fissaggio personalizzati in base alla geometria del pezzo in lavorazione.

Lo sviluppo del processo può includere anche la selezione del materiale di rivestimento, la strategia di preriscaldamento, l'ottimizzazione dei parametri e la prova dei campioni prima della configurazione finale dell'apparecchiatura.

Per un progetto di rivestimento laser di utensili di foratura, fornire il disegno o le fotografie del componente, il materiale di base, la posizione di rivestimento richiesta, il meccanismo di usura, lo spessore del rivestimento desiderato, la lega preferita (se specificata) e le condizioni operative . Questi parametri possono quindi essere utilizzati per valutare il materiale di rivestimento, la strategia di processo e la configurazione dell'attrezzatura più appropriati.