Wiertła trójstożkowe pracują w warunkach intensywnego zużycia ściernego, obciążeń udarowych, tarcia, wysokiego naprężenia stykowego i erozji spowodowanej przez płyn wiertniczy . Krytyczne powierzchnie wokół stożka, łożyska i przyległych obszarów funkcjonalnych mogą zatem ulec szybkiemu pogorszeniu podczas wymagających operacji wiertniczych.

Napawanie laserowe to kontrolowana metoda nakładania odpornego na zużycie materiału metalicznego, specjalnie na obszary narażone na duże obciążenia.

Zamiast modyfikować całe wiertło, miejscowe nakładanie powłoki laserowej wzmacnia wybrane powierzchnie, minimalizując jednocześnie niepotrzebne wprowadzanie ciepła i zużycie materiału , dzięki czemu metoda ta nadaje się zarówno do ulepszania powierzchni nowych elementów, jak i wybranych zastosowań związanych z regeneracją.

Dlaczego wiertła trójstożkowe wymagają lokalnej ochrony powierzchni

Podczas wiercenia stożki obracają się nieustannie w kierunku przeciwnym do ruchu materiału wiertniczego, a wiertło poddawane jest znacznym obciążeniom osiowym, wibracjom i uderzeniom.

W zależności od warunków formowania i eksploatacji, powierzchnie komponentów mogą podlegać:

• Zużycie ścierne
• Tarcie metal-metal
• Zużycie adhezyjne i zatarcie
• Uszkodzenia uderzeniowe
• Erozja spowodowana płynem wiertniczym
• Lokalna utrata materiału powierzchniowego
• Połączone zużycie i korozja

Nasilenie tych mechanizmów nie jest jednakowe dla całego komponentu.

Niektóre powierzchnie funkcjonalne są narażone na znacznie większe obciążenia stykowe i zużycie niż obszary je otaczające. To sprawia, że ​​ukierunkowana inżynieria powierzchni jest szczególnie cenna.

Nakładanie laserowe krytycznych obszarów zużycia

Podczas napawania laserowego proszek stopu metalicznego jest dostarczany do precyzyjnie kontrolowanego, generowanego laserowo jeziorka stopowego.

Cienka warstwa podłoża i wtryskiwany proszek topią się, tworząc gęstą warstwę osadu, związaną metalurgicznie z materiałem bazowym.

W przypadku zastosowań z wiertłami trójkątnymi ścieżkę lasera można zaprogramować specjalnie wokół wybranych obszarów zużycia.

Celem jest uzyskanie:

Silne wiązanie metalurgiczne + kontrolowane rozcieńczanie + wysoka odporność na zużycie + ograniczone wprowadzanie ciepła + precyzyjne, lokalne osadzanie.

Różni się to od prostego nałożenia grubej powłoki na cały element. Proces jest projektowany z uwzględnieniem rzeczywistego mechanizmu zużycia i geometrii obszaru krytycznego.

Typowe obszary okładzin

W zależności od konstrukcji wiertła i mechanizmu jego uszkodzenia, nakładanie powłoki laserowej można rozważyć w wybranych obszarach, takich jak:

• Powierzchnie zużycia związane ze stożkiem
• Powierzchnie przylegające do łożyska
• Czasopismo i regiony wsparcia
• Obszary styku o dużym tarciu
• Lokalne strefy erozji
• Inne powierzchnie wymagające dodatkowej ochrony przed zużyciem

Dokładne położenie okładziny należy określić na podstawie rysunku komponentu, warunków pracy i rzeczywistego wzoru zużycia.

W przypadku skomplikowanych elementów wiertniczych należy unikać zbędnego osadzania. Materiał należy koncentrować tam, gdzie dodatkowa wydajność powierzchni zapewnia wymierną wartość.

Materiały okładzinowe odporne na zużycie

Stopy na bazie kobaltu, takie jak Stellite 6, można stosować w wybranych zastosowaniach narzędzi wiertniczych, w których wymagana jest odporność na zużycie, zatarcie i degradację w wysokiej temperaturze.

Stellite 6 łączy w sobie twardość z relatywnie dobrą wytrzymałością i jest powszechnie stosowany w elementach narażonych na zużycie ślizgowe i trudne warunki styku.

Wybór stopu powinien jednak zawsze zależeć od konkretnego zastosowania.

Inne systemy na bazie kobaltu, niklu lub żelaza mogą być bardziej odpowiednie w zależności od:

• Materiał bazowy
• Mechanizm zużycia
• Obciążenie udarowe
• Temperatura robocza
• Środowisko korozyjne
• Wymagana twardość
• Wymagania dotyczące obróbki

W przypadku ekstremalnie ściernych warunków możliwe jest również przeprowadzenie oceny układów materiałów wzmocnionych fazą twardą.

Optymalny materiał to niekoniecznie stop o najwyższej twardości, ale taki, który zapewnia odpowiednią równowagę między odpornością na zużycie, wytrzymałością, odpornością na pękanie i kompatybilnością metalurgiczną.

Podgrzewanie wstępne i kontrola pęknięć

Elementy wiertnicze są często produkowane z wysokowytrzymałych stali stopowych. Połączenie tych podłoży ze stosunkowo twardymi materiałami powłokowymi wymaga starannej kontroli naprężeń termicznych i pęknięć.

Podgrzewanie wstępne może zatem stanowić istotną część procesu napawania laserowego.

W jednym z typowych zastosowań wiertła trójkątnego element został podgrzany do temperatury około 300°C przed osadzeniem Stellitu 6.

Wartość tę należy traktować jako warunek procesu specyficzny dla danego projektu, a nie jako parametr uniwersalny.

Właściwa temperatura podgrzewania wstępnego zależy od:

skład podłoża + geometria komponentu + stop powłoki + grubość nałożonej warstwy + ciepło doprowadzone + warunki chłodzenia.

W przypadku wymagających kombinacji materiałów konieczna może być również kontrola temperatury międzywarstwowej i strategii chłodzenia po nałożeniu powłoki.

Złożona geometria wymaga kontrolowanego ruchu

Elementy wierteł trójstożkowych zawierają powierzchnie zakrzywione, pochyłe i przerywane, których nie zawsze można skutecznie obrabiać przy użyciu prostego ruchu liniowego.

Głowica powłoki musi utrzymywać odpowiednią relację z powierzchnią docelową w trakcie osadzania.

W zależności od geometrii komponentu, system przetwarzania może wymagać skoordynowanych:

• Ruch obrotowy
• Pozycjonowanie liniowe
• Interpolacja wieloosiowa
• Orientacja głowicy laserowej
• Pozycjonowanie przedmiotu obrabianego

Można również zaprojektować specjalne uchwyty, które będą przytrzymywać komponent pod odpowiednim kątem i umożliwią dostęp do trudno dostępnych miejsc okładziny.

W przypadku tego typu zastosowań projektowanie osprzętu i sterowanie ruchem stanowią integralne części procesu napawania laserowego.

Parametry procesu muszą być opracowane wokół komponentu

Udane napawanie laserowe wymaga skoordynowania wielu czynników, a nie polegania wyłącznie na mocy lasera.

Ważne parametry obejmują:

• moc lasera
• Rozmiar belki
• Szybkość podróży
• Szybkość podawania proszku
• Nakładanie się ścieżek
• Osadzona grubość
• Gaz osłonowy
• Temperatura podgrzewania wstępnego
• Temperatura międzywarstwowa
• Kąt padania lasera

Parametry te wpływają na rozcieńczenie, geometrię powłoki, wiązanie metalurgiczne, twardość, tendencję do pękania i ilość wprowadzanego ciepła.

W przypadku narzędzi wiertniczych opracowanie procesu powinno zatem rozpocząć się od określenia rzeczywistego podłoża, materiału powłoki i geometrii komponentu.

Kluczowe zalety dla komponentów wiertniczych

Przy odpowiednim zaprojektowaniu napawanie laserowe może zapewnić szereg korzyści w przypadku wierteł trójkątnych i podobnych elementów wiertniczych.

Miejscowa ochrona przed zużyciem: Materiał osadza się konkretnie na newralgicznych powierzchniach zamiast pokrywać cały element.

Wiązanie metalurgiczne: Osadzona warstwa tworzy metalurgiczny interfejs z podłożem.

Kontrolowane dopływ ciepła: Lokalna energia laserowa redukuje niepotrzebny wpływ ciepła na otaczające obszary.

Wydajność materiałowa: Wysokowydajny proszek stopowy jest gromadzony tam, gdzie jest to potrzebne.

Poprawa jakości powierzchni: Odpowiednie stopy mogą poprawić odporność na zużycie ścierne, zatarcie, erozję i inne poważne mechanizmy degradacji powierzchni.

Elastyczność geometryczna: sterowanie CNC i ruch wieloosiowy umożliwiają obróbkę złożonych obszarów zużycia przy użyciu kontrolowanych ścieżek osadzania.

Wzmocnienie i regeneracja nowych komponentów

Nakładanie powłoki laserowej można rozważyć na różnych etapach cyklu życia podzespołu wiertniczego.

W przypadku nowych podzespołów wybrane powierzchnie o dużej odporności na zużycie można wzmocnić przed rozpoczęciem eksploatacji, aby zwiększyć ich odporność na trudne warunki eksploatacji.

W przypadku podzespołów uszkodzonych podczas eksploatacji , w celu przywrócenia stanu pierwotnego wybranych zużytych powierzchni, można zastosować nakładanie powłoki laserowej, jeśli znajdujący się pod spodem element nadal nadaje się do ponownego wytworzenia.

To, czy używany element wiertniczy nadaje się do naprawy, należy ustalić poprzez inspekcję przed rozpoczęciem obróbki. Elementy z pęknięciami strukturalnymi, poważnymi odkształceniami lub niedopuszczalnymi uszkodzeniami podłoża nie powinny być automatycznie uznawane za nadające się do naprawy tylko dlatego, że materiał może osadzać się na powierzchni.

Zastosowania wykraczające poza bity Tricone

Tę samą zasadę lokalnej inżynierii powierzchni można rozszerzyć na inne elementy wiertnicze i złóż ropy naftowej narażone na duże zużycie, w tym:

• Elementy wiertnicze do wierteł stożkowych
• Stabilizatory
• Noś rękawy
• Powierzchnie narzędzi wiertniczych
• Elementy zużywające się przewodu wiertniczego
• Inne elementy złóż ropy naftowej o dużym obciążeniu

Każde zastosowanie wymaga indywidualnej oceny mechanizmu zużycia, podłoża, geometrii i środowiska pracy.

Rozwiązania GREENSTONE do laserowego powlekania narzędzi wiertniczych

GREENSTONE oferuje rozwiązania w zakresie procesów i urządzeń do powlekania laserowego narzędzi wiertniczych i innych komponentów przemysłowych wymagających miejscowej poprawy odporności powierzchni na zużycie.

W przypadku skomplikowanych elementów wiertniczych rozwiązania mogą łączyć precyzyjne podawanie proszku, sterowanie CNC lub ruch wieloosiowy, pozycjonowanie obrotowe i niestandardowe uchwyty dostosowane do geometrii konkretnego przedmiotu obrabianego.

Rozwój procesu może również obejmować wybór materiału okładzinowego, strategię podgrzewania wstępnego, optymalizację parametrów i testowanie próbek przed ostateczną konfiguracją urządzenia.

W przypadku projektu napawania laserowego narzędzia wiertniczego należy dostarczyć rysunek lub zdjęcia komponentu, materiał bazowy, wymagane położenie napawania, mechanizm zużycia, żądaną grubość powłoki, preferowany stop (jeśli jest określony) oraz warunki pracy . Parametry te można następnie wykorzystać do oceny odpowiedniego materiału napawania, strategii obróbki i konfiguracji sprzętu.