Trikonborrkronor arbetar under svåra kombinationer av abrasivt slitage, stötbelastning, friktion, hög kontaktspänning och erosion av borrvätska . Kritiska ytor runt konen, lagret och angränsande funktionella områden kan därför uppleva snabb försämring under krävande borroperationer.

Laserbeklädnad erbjuder en kontrollerad metod för att applicera slitstarkt metalliskt material specifikt på dessa områden med hög belastning.

Istället för att modifiera hela borrkronan förstärker lokal laserbeklädnad utvalda ytor samtidigt som onödig värmetillförsel och materialförbrukning minimeras , vilket gör den lämplig för både ytförbättring av nya komponenter och utvalda renoveringsapplikationer.

Varför trikonborrkronor kräver lokalt ytskydd

Under borrningen roterar konerna kontinuerligt mot formationen medan borrkronan utsätts för betydande axiell belastning, vibrationer och stötar.

Beroende på formation och driftsförhållanden kan komponentytor uppleva:

• Slitande slitage
• Metall-mot-metall-friktion
• Limslitage och gallring
• Slagskada
• Borrvätskeerosion
• Lokal förlust av ytmaterial
• Kombinerat slitage och korrosion

Svårighetsgraden av dessa mekanismer är inte enhetlig över hela komponenten.

Vissa funktionella ytor utsätts för betydligt högre kontakt- och slitagebelastningar än omgivande ytor. Detta gör riktad ytbehandling särskilt värdefull.

Laserbeklädnad av kritiska slitageområden

Under laserbeklädnaden levereras metallisk legeringspulver till en noggrant kontrollerad lasergenererad smältpool.

Ett tunt område av substratet och det injicerade pulvret smälter samman, vilket skapar ett tätt avsatt lager med metallurgisk bindning till basmaterialet.

För triconborrtillämpningar kan laserbanan programmeras specifikt runt utvalda slitageområden.

Målet är att erhålla:

Stark metallurgisk bindning + kontrollerad utspädning + hög slitstyrka + begränsad värmetillförsel + noggrann lokaliserad avsättning.

Detta skiljer sig från att helt enkelt applicera en tjock beläggning över hela komponenten. Processen är utformad kring den faktiska slitagemekanismen och geometrin i det kritiska området.

Typiska beklädnadsområden

Beroende på borrkronans design och felmekanism kan laserbeklädnad övervägas för utvalda områden såsom:

• Konrelaterade slitytor
• Lagerintilliggande ytor
• Tidskrift och supportregioner
• Kontaktytor med hög friktion
• Lokaliserade erosionszoner
• Andra ytor som kräver extra slitageskydd

Den exakta beklädnadspositionen bör bestämmas utifrån komponentritningen, driftsförhållandena och det faktiska slitagemönster.

För komplexa borrkomponenter bör onödig avsättning undvikas. Materialet bör koncentreras där ytterligare ytprestanda ger mätbart värde.

Slitstarka beklädnadsmaterial

Koboltbaserade legeringar som Stellite 6 kan användas i utvalda borrverktygsapplikationer där motståndskraft mot slitage, skärskador och nedbrytning vid förhöjda temperaturer krävs.

Stellit 6 kombinerar hårdhet med relativt god seghet och används ofta för komponenter som utsätts för glidande slitage och svåra kontaktförhållanden.

Legeringsvalet bör dock alltid bero på den faktiska tillämpningen.

Andra kobolt-, nickel- eller järnbaserade system kan vara mer lämpliga beroende på:

• Basmaterial
• Slitmekanism
• Slagbelastning
• Arbetstemperatur
• Frätande miljö
• Erforderlig hårdhet
• Bearbetningskrav

För svåra nötande förhållanden kan även hårdfasförstärkta materialsystem utvärderas.

Det optimala materialet är därför inte nödvändigtvis legeringen med högst hårdhet, utan den som ger rätt balans mellan slitstyrka, seghet, sprickmotstånd och metallurgisk kompatibilitet.

Förvärmning och sprickkontroll

Borrkomponenter tillverkas ofta av höghållfasta legeringsstål. När dessa substrat kombineras med relativt hårda beklädnadsmaterial måste termisk spänning och sprickbildning kontrolleras noggrant.

Förvärmning kan därför utgöra en viktig del av laserbeklädnadsprocessen.

I en representativ triconborrtillämpning förvärmdes komponenten till cirka 300 °C före avsättning med Stellite 6.

Detta värde bör behandlas som ett projektspecifikt processvillkor snarare än en universell parameter.

Lämplig förvärmningstemperatur beror på:

substratsammansättning + komponentgeometri + beklädnadslegering + avsatt tjocklek + värmetillförsel + kylförhållanden.

Mellanpassningstemperatur och kylningsstrategi efter beklädnad kan också kräva kontroll för krävande materialkombinationer.

Komplex geometri kräver kontrollerad rörelse

Trikonborrkomponenter innehåller krökta, lutande och avbrutna ytor som inte alltid kan bearbetas effektivt med enkel linjär rörelse.

Beklädnadshuvudet måste upprätthålla ett lämpligt förhållande till målytan medan avsättningen fortskrider.

Beroende på komponentgeometri kan bearbetningssystemet kräva samordning:

• Roterande rörelse
• Linjär positionering
• Fleraxlig interpolering
• Laserhuvudets orientering
• Arbetsstyckets positionering

Dedikerade fixturer kan också utformas för att hålla komponenten i lämplig vinkel och ge åtkomst till svåra beklädnadsområden.

För denna typ av applikation är fixturdesign och rörelsekontroll integrerade delar av laserbeklädnadsprocessen.

Processparametrar måste utvecklas runt komponenten

Framgångsrik laserbeklädnad kräver samordning av flera variabler snarare än att enbart förlita sig på lasereffekt.

Viktiga parametrar inkluderar:

• Laserkraft
• Strålstorlek
• Resehastighet
• Pulvermatningshastighet
• Spåröverlappning
• Avsatt tjocklek
• Skyddsgas
• Förvärmningstemperatur
• Temperatur mellan passagen
• Laserinfallsvinkel

Dessa parametrar påverkar utspädning, beläggningsgeometri, metallurgisk bindning, hårdhet, sprickbildningstendens och värmetillförsel.

För borrverktyg bör processutvecklingen därför börja med själva substratet, beklädnadsmaterialet och komponentgeometrin.

Viktiga fördelar för borrkomponenter

När den är korrekt konstruerad kan laserbeklädnad ge flera fördelar för trikonborrkronor och liknande borrkomponenter.

Lokalt slitageskydd: Materialet deponeras specifikt på kritiska ytor istället för att täcka hela komponenten.

Metallurgisk bindning: Det avsatta lagret bildar ett metallurgiskt gränssnitt med substratet.

Kontrollerad värmeinmatning: Lokal laserenergi minskar onödig termisk påverkan på omgivande områden.

Materialeffektivitet: Högpresterande legeringspulver koncentreras där det funktionellt behövs.

Förbättring av ytprestanda: Lämpliga legeringar kan förbättra motståndskraften mot abrasivt slitage, gallring, erosion och andra allvarliga ytnedbrytningsmekanismer.

Geometrisk flexibilitet: CNC- och fleraxlig rörelse möjliggör bearbetning av komplexa slitageområden med kontrollerade avsättningsbanor.

Ny komponentförstärkning och omtillverkning

Laserbeklädnad kan övervägas i olika skeden av en borrkomponents livscykel.

För nya komponenter kan utvalda slitstarka ytor förstärkas före service för att förbättra deras motståndskraft mot krävande driftsförhållanden.

För komponenter som skadats av service kan laserbeklädnad användas för att återställa utvalda slitna ytor när den underliggande komponenten fortfarande är lämplig för renovering.

Huruvida en begagnad borrkomponent är lämplig för reparation bör avgöras genom inspektion före bearbetning. Komponenter med strukturella sprickor, allvarlig deformation eller oacceptabla skador på underlaget bör inte automatiskt anses vara reparerbara bara för att material kan avsättas på ytan.

Applikationer utöver Tricone-bitar

Samma lokaliserade ytbehandlingsprincip kan utvidgas till andra borr- och oljefältskomponenter som utsätts för hårt slitage, inklusive:

• Komponenter för rullkonborrning
• Stabilisatorer
• Använd ärmar
• Borrhålsverktygsytor
• Borrsträngens slitkomponenter
• Andra högbelastade oljefältskomponenter

Varje applikation kräver en individuell utvärdering av slitagemekanism, substrat, geometri och driftsmiljö.

GREENSTONE laserbeklädnadslösningar för borrverktyg

GREENSTONE tillhandahåller laserbeklädnadsprocesser och utrustningslösningar för borrverktyg och andra industriella komponenter som kräver lokal slitstark ytförbättring.

För komplexa borrkomponenter kan lösningarna kombinera precisionspulvermatning, CNC- eller fleraxlig rörelse, roterande positionering och anpassade fixturer enligt det faktiska arbetsstyckets geometri.

Processutveckling kan också omfatta val av beklädnadsmaterial, förvärmningsstrategi, parameteroptimering och provtagning före slutlig konfiguration av utrustningen.

För ett projekt med laserbeklädnad av borrverktyg, tillhandahålla komponentritning eller fotografier, basmaterial, erforderlig beklädnadsposition, slitagemekanism, önskad beläggningstjocklek, föredragen legering om specificerad och driftsförhållanden . Dessa parametrar kan sedan användas för att utvärdera lämpligt beklädnadsmaterial, bearbetningsstrategi och utrustningskonfiguration.