Trojkužeľové vrtáky pracujú za náročných kombinácií abrazívneho opotrebenia, rázového zaťaženia, trenia, vysokého kontaktného napätia a erózie vrtnou kvapalinou . Kritické povrchy okolo kužeľa, ložiska a priľahlých funkčných oblastí sa preto môžu počas náročných vŕtacích operácií rýchlo opotrebovať.

Laserové nanášanie poskytuje kontrolovanú metódu nanášania kovového materiálu odolného voči opotrebovaniu špeciálne na tieto oblasti s vysokým zaťažením.

Namiesto úpravy celého vrtáka lokalizované laserové nanášanie spevňuje vybrané povrchy a zároveň minimalizuje zbytočný vstup tepla a spotrebu materiálu , vďaka čomu je vhodné na vylepšenie povrchu nových komponentov aj na vybrané aplikácie repasovania.

Prečo trojkužeľové vrtáky vyžadujú lokálnu ochranu povrchu

Počas vŕtania sa kužele neustále otáčajú proti formácii, zatiaľ čo vrták je vystavený značnému axiálnemu zaťaženiu, vibráciám a nárazom.

V závislosti od formácie a prevádzkových podmienok môžu povrchy súčiastok vykazovať:

• Abrazívne opotrebenie
• Trenie kovu o kov
• Opotrebovanie lepidlom a odieranie
• Poškodenie nárazom
• Erózia vrtnej kvapaliny
• Lokalizovaná strata povrchového materiálu
• Kombinované opotrebenie a korózia

Závažnosť týchto mechanizmov nie je v celej zložke jednotná.

Niektoré funkčné povrchy sú vystavené výrazne vyššiemu kontaktnému a opotrebovaciemu zaťaženiu ako okolité oblasti. Preto je cielené povrchové inžinierstvo obzvlášť cenné.

Laserové opláštenie kritických oblastí opotrebenia

Počas laserového navárania sa prášok kovovej zliatiny dodáva do presne riadeného laserom generovaného tavného bazéna.

Tenká oblasť substrátu a vstreknutý prášok sa roztavia, čím sa vytvorí hustá nanesená vrstva s metalurgickou väzbou so základným materiálom.

Pri aplikáciách s trikónickými vrtákmi je možné laserovú dráhu naprogramovať špecificky okolo vybraných oblastí opotrebovania.

Cieľom je získať:

Silná metalurgická väzba + kontrolované riedenie + vysoká odolnosť proti opotrebeniu + obmedzený tepelný vstup + presné lokalizované nanášanie.

Toto sa líši od jednoduchého nanesenia hrubej vrstvy na celý komponent. Proces je navrhnutý s ohľadom na skutočný mechanizmus opotrebenia a geometriu kritickej oblasti.

Typické oblasti obkladov

V závislosti od konštrukcie vrtáka a mechanizmu poruchy sa môže pre vybrané oblasti, ako napríklad: zvážiť laserové opláštenie.

• Opotrebované povrchy súvisiace s kužeľom
• Povrchy priliehajúce k ložisku
• Časopis a podporné regióny
• Kontaktné plochy s vysokým trením
• Lokalizované erózne zóny
• Iné povrchy vyžadujúce dodatočnú ochranu pred opotrebením

Presná poloha opláštenia by sa mala určiť z výkresu súčiastky, prevádzkových podmienok a skutočného vzoru opotrebovania.

Pri zložitých vŕtaných komponentoch by sa malo zabrániť zbytočnému usadzovaniu. Materiál by sa mal koncentrovať tam, kde dodatočný povrchový výkon poskytuje merateľnú hodnotu.

Obkladové materiály odolné voči opotrebovaniu

Zliatiny na báze kobaltu, ako napríklad Stellite 6, sa môžu použiť vo vybraných aplikáciách vŕtacích nástrojov, kde sa vyžaduje odolnosť voči opotrebovaniu, odieraniu a degradácii pri zvýšených teplotách.

Stelit 6 kombinuje tvrdosť s relatívne dobrou húževnatosťou a bežne sa používa na výrobu súčiastok vystavených klznému opotrebeniu a náročným kontaktným podmienkam.

Výber zliatiny by však mal vždy závisieť od skutočnej aplikácie.

V závislosti od: môžu byť vhodnejšie iné systémy na báze kobaltu, niklu alebo železa.

• Základný materiál
• Mechanizmus opotrebenia
• Nárazové zaťaženie
• Prevádzková teplota
• Korozívne prostredie
• Požadovaná tvrdosť
• Požiadavky na obrábanie

V prípade náročných abrazívnych podmienok možno vyhodnotiť aj systémy materiálov vystužených tvrdou fázou.

Optimálny materiál preto nie je nevyhnutne zliatina s najvyššou tvrdosťou, ale tá, ktorá poskytuje vhodnú rovnováhu medzi odolnosťou proti opotrebovaniu, húževnatosťou, odolnosťou proti praskaniu a metalurgickou kompatibilitou.

Predhrievanie a kontrola trhlín

Vŕtacie komponenty sa často vyrábajú z vysokopevnostných legovaných ocelí. Keď sa tieto substráty kombinujú s relatívne tvrdými plátovacími materiálmi, je potrebné starostlivo kontrolovať tepelné namáhanie a praskanie.

Predohrev môže preto tvoriť dôležitú súčasť procesu laserového navárania.

V jednej reprezentatívnej aplikácii s trikónovým vrtákom bol komponent pred nanášaním pomocou Stellitu 6 predhriaty na približne 300 °C.

Táto hodnota by sa mala považovať skôr za podmienku procesu špecifickú pre projekt než za univerzálny parameter.

Vhodná teplota predhrievania závisí od:

zloženie substrátu + geometria súčiastky + zliatina plášťa + hrúbka naneseného materiálu + tepelný príkon + podmienky chladenia.

Medzivrstvová teplota a stratégia chladenia po plátovaní môžu tiež vyžadovať kontrolu pri náročných kombináciách materiálov.

Komplexná geometria vyžaduje riadený pohyb

Komponenty trojkužeľových vrtákov obsahujú zakrivené, šikmé a prerušované povrchy, ktoré nie je vždy možné efektívne opracovať jednoduchým lineárnym pohybom.

Počas nanášania musí nanášacia hlava udržiavať vhodný vzťah s cieľovým povrchom.

V závislosti od geometrie komponentu môže systém spracovania vyžadovať koordinované:

• Rotačný pohyb
• Lineárne polohovanie
• Viacosová interpolácia
• Orientácia laserovej hlavy
• Polohovanie obrobku

Špeciálne upínacie prípravky môžu byť navrhnuté aj tak, aby držali komponent pod vhodným uhlom a poskytovali prístup k ťažko dostupným oblastiam opláštenia.

Pre tento typ aplikácie je návrh upínacieho prípravku a riadenie pohybu neoddeliteľnou súčasťou procesu laserového navárania.

Parametre procesu musia byť vyvinuté pre daný komponent

Úspešné laserové oplášťovanie si vyžaduje koordináciu viacerých premenných, a nie spoliehanie sa len na výkon laseru.

Medzi dôležité parametre patria:

• Napájanie laserom
• Veľkosť lúča
• Cestovná rýchlosť
• Rýchlosť podávania prášku
• Prekrytie trate
• Nanesená hrúbka
• Ochranný plyn
• Teplota predhrievania
• Medzipriechodová teplota
• Uhol dopadu laseru

Tieto parametre ovplyvňujú riedenie, geometriu povlaku, metalurgickú väzbu, tvrdosť, tendenciu k praskaniu a tepelný príkon.

V prípade vŕtacích nástrojov by sa preto vývoj procesu mal začať so skutočným substrátom, materiálom plášťa a geometriou komponentu.

Kľúčové výhody vŕtacích komponentov

Pri správnom návrhu môže laserové oplášťovanie poskytnúť niekoľko výhod pre trojkužeľové vrtáky a podobné vrtné komponenty.

Lokálna ochrana proti opotrebeniu: Materiál sa nanáša cielene na kritické povrchy namiesto toho, aby pokrýval celý komponent.

Metalurgické spojenie: Nanesená vrstva tvorí metalurgické rozhranie so substrátom.

Kontrolovaný tepelný príkon: Lokalizovaná laserová energia znižuje zbytočný tepelný vplyv na okolité oblasti.

Materiálová účinnosť: Vysokoúčinný legujúci prášok je koncentrovaný tam, kde je funkčne potrebný.

Zlepšenie povrchových vlastností: Vhodné zliatiny môžu zlepšiť odolnosť voči abrazívnemu opotrebovaniu, odieraniu, erózii a iným závažným mechanizmom degradácie povrchu.

Geometrická flexibilita: CNC a viacosový pohyb umožňujú spracovanie zložitých oblastí opotrebovania pomocou riadených nanáškových dráh.

Výstuž a repasovanie nových komponentov

Laserové oplášťovanie možno zvážiť v rôznych fázach životného cyklu vŕtacieho komponentu.

V prípade nových komponentov je možné vybrané povrchy s vysokým opotrebením pred servisom vystužiť, aby sa zlepšila ich odolnosť voči náročným prevádzkovým podmienkam.

V prípade komponentov poškodených prevádzkou sa môže na obnovu vybraných opotrebovaných povrchov použiť laserové opláchnutie, ak je podkladový komponent stále vhodný na repasovanie.

Či je použitý vŕtaný komponent vhodný na opravu, by sa malo určiť kontrolou pred spracovaním. Komponenty so štrukturálnymi trhlinami, silnou deformáciou alebo neprijateľným poškodením podkladu by sa nemali automaticky považovať za opraviteľné len preto, že sa na povrchu môže usadzovať materiál.

Aplikácie nad rámec trojkužeľových bitov

Rovnaký princíp lokalizovaného povrchového inžinierstva možno rozšíriť aj na iné komponenty vrtných a ropných polí vystavené silnému opotrebovaniu, vrátane:

• Komponenty pre vŕtanie valčekovým kužeľom
• Stabilizátory
• Noste rukávy
• Povrchy vrtných nástrojov
• Opotrebiteľné komponenty vrtnej kolóny
• Ostatné vysoko zaťažené komponenty ropných polí

Každá aplikácia si vyžaduje individuálne posúdenie mechanizmu opotrebovania, podkladu, geometrie a prevádzkového prostredia.

Riešenia GREENSTONE pre laserové obkladanie vŕtacích nástrojov

Spoločnosť GREENSTONE poskytuje riešenia pre laserové povlakovanie a zariadenia pre vŕtacie nástroje a ďalšie priemyselné komponenty vyžadujúce lokálne vylepšenie povrchu odolného proti opotrebeniu.

Pre komplexné vŕtacie komponenty môžu riešenia kombinovať presné podávanie prášku, CNC alebo viacosový pohyb, rotačné polohovanie a prispôsobené upínacie prípravky podľa geometrie skutočného obrobku.

Vývoj procesu môže zahŕňať aj výber materiálu obkladu, stratégiu predhrievania, optimalizáciu parametrov a testovanie vzoriek pred konečnou konfiguráciou zariadenia.

V prípade projektu laserového plátovania vŕtacích nástrojov poskytnite výkres alebo fotografie súčiastok, základný materiál, požadovanú polohu plátovania, mechanizmus opotrebovania, požadovanú hrúbku povlaku, preferovanú zliatinu, ak je špecifikovaná, a prevádzkové podmienky . Tieto parametre sa potom môžu použiť na vyhodnotenie vhodného plátovacieho materiálu, stratégie spracovania a konfigurácie zariadenia.