MX2011006121A

MX2011006121A - Revestimiento duro roboticamente aplicado con precalentamiento.

Info

Publication number: MX2011006121A
Application number: MX2011006121A
Authority: MX
Inventors: James L Overstreet; John H Stevens; David K Luce
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-07-20
Also published as: WO2010075150A2; EP2376675A2; RU2011129847A; US20100159157A1; WO2010075150A3; EP2376675A4; US9439277B2; CA2747735A1

Abstract

Un sistema y método para la aplicación automatiza o "robótica" de revestimiento duro en una superficie de una barrena de perforación.

Description

REVESTIMIENTO DURO ROBÓTICAMENTE APLICADO CON PRE- CALENTAMIENTO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema y método para la aplicación de revestimiento duro a porciones de una barrena de perforación utilizando un aparato robótico.

En la exploración de petróleo, gas, y energía geotérmica, se crean pozos o sondeos en la tierra en operaciones de perforación utilizando varios tipos de barrenas de perforación. Estas operaciones típicamente emplean técnicas de perforación rotativa o por percusión. En perforación rotativa, el sondeo se crea al hacer girar una sarta de perforación que tiene una barrena de perforación asegurada en su extremo inferior. Conforme la barrena de perforación perfora el pozo de sondeo, segmentos de la tubería de perforación se agregan a la parte superior de la sarta de perforación. Durante la perforación, un fluido de perforación se bombea continuamente hacia la sarta de perforación desde el equipo de bombeo de la superficie. El fluido de perforación se transporta a través del centro de la sarta de perforación hueca y a través de la barrena de perforación. El fluido de perforación sale de la barrena de perforación a través de una o más toberas en la barrena de perforación. El fluido de perforación entonces regresa a la superficie al viajar hacia arriba del espacio anular entre el pozo de sondeo y el exterior de la sarta de perforación. El fluido de perforación transporta sedimentos de la perforación fuera del pozo de sondeo asi como enfriamiento y lubricación de la barrena de perforación.

El tipo de barrena de perforación utilizada para perforar el pozo dependerá ampliamente de la dureza del yacimiento que se perfora. Un tipo de barrena para roca rotativa es una barrena de arrastre. Diseños anteriores para una barrena de arrastre incluían revestimiento duro aplicado a varias porciones de la barrena. Actualmente, los diseños para barrenas de arrastre tienen elementos de corte extremadamente duros, tal como diamantes naturales o sintéticos, montados en un cuerpo de barrena. Conforme se hace girar la barrena de arrastre, los elementos de corte forman el fondo y los costados del pozo de sondeo.

Otro tipo típico de barrena de perforación rotativa es la barrena de perforación de rodillos de tres conos que tiene conos de rodillos montados en el cuerpo de la barrena de perforación, que giran conforme se hace girar la barrena de perforación. Los elementos de corte, o dientes, se proyectan de los conos de rodillo. Los ángulos en los cuales los conos de rodillos se montan, se montan en el cuerpo de barrena para determinar la cantidad de corte o mordida de la barrena con respecto al pozo de sondeo. Cuando los conos de rodillos de la barrena de perforación giran sobre la parte inferior del agujero que se perfora, los dientes o inserciones de carburo aplican una alta compresión y carga de esfuerzo cortante al yacimiento provocando fracturación del yacimiento en restos. La acción de corte de los conos de rodillos comprende una combinación de trituración, corte y raspado. Los sedimentos de la perforación de una barrena de perforación de cono de rodillos típicamente comprenden una mezcla de rebabas y partículas finas.

Aún otro tipo de barrena de perforación giratoria es una barrena de perforación híbrida que tiene una combinación de elementos de corte duros, tales como diamantes naturales o sintéticos y cono de rodillos montados en el cuerpo de la barrena de perforación.

Existen dos tipos generales de barrenas de perforación de cono de rodillos; barrenas de TCI y barrenas de dientes de acero. "TCI" es una abreviatura para Inserción de Carburo de Tungsteno. Las barrenas de perforación de cono de rodillos de TCI tienen conos de rodillos que tienen una pluralidad de carburo de tungsteno o inserciones similares de alta dureza que se proyectan de la superficie del cono de rodillo. Estilos numerosos de barrenas de perforación de TCI se diseñan para varios tipos de yacimientos, en los cuales la forma, número y proyección de las inserciones de carburo de tungsteno en los conos de rodillos de la barrena de perforación variarán, junto con los ángulos de cono de rodillos en la barrena de perforación.

Las barrenas de perforación de cono de rodillos de dientes de acero también se denominan como barrenas de dientes rectificados debido a que los dientes de acero de los conos de rodillos se forman por una máquina de rectificación. Sin embargo, en barrenas más grandes, también se sabe como fundir los dientes de acero y por lo tanto "dientes de acero" es la mejor referencia. Una barrena de perforación de cono de rodillos de dientes de acero utiliza conos de rodillos que tienen cada uno un cuerpo integral de acero templado con dientes formados en la periferia. Existen numerosos estilos de barrenas de perforación de cono de rodillos de dientes de acero diseñadas para yacimientos de varias durezas en las cuales la forma número y proyección de los dientes variará, junto con los ángulos de cono de rodillos en la barrena de perforación .

La eficiencia de costo de una barrena de perforación se determina por la vida de perforación de la barrena de perforación y el índice en el cual la barrena de perforación penetra la tierra. Bajo condiciones normales de perforación, los dientes de las barrenas de perforación de cono de rodillos de dientes de acero se someten a impacto continuo y desgaste debido a su acoplamiento con la roca que se perfora. Conforme se desgastan los dientes, el índice de penetración de la barrena de perforación disminuye provocando que el costo de la perforación incremente.

Para incrementar la eficiencia de costo de una barrena de perforación de cono de rodillos de dientes de acero o una barrena de perforación híbrida que tiene conos de de rodillo de dientes de acero, es necesario incrementar la resistencia al desgaste de los dientes de acero. Para lograr esto, se sabe como depositar una o más capas de un material resistente al desgaste o "revestimiento duro" a las superficies expuestas de los dientes de acero. El revestimiento duro por fusión se refiere a un grupo de técnicas que aplican (fusionan) una aleación resistente al desgate (revestimiento duro) a un metal de sustrato. Las técnicas de revestimiento duro comunes incluyen soldadura por arco y soldadura por soplete de gas, entre otros procesos de soldadura.

Las técnicas de soldadura convencionales utilizadas para aplicar revestimiento duro a barrenas de perforación de cono de rodillos de dientes de acero incluyen soldadura de oxiacetileno (OAW) y soldadura de hidrógeno atómico (AHW) . Actualmente, la soldadura manual se utiliza típicamente en la producción comercial de barrenas para rocas de cono de rodillos. Los conos de rodillos se montan en una tabla de colocación mientras un soplete de soldadura y varilla de soldadura se utilizan para aplicar manualmente el revestimiento duro a las porciones de cada diente de cada cono de rodillos por una soldadura que se mueve de diente a diente y de cono a cono desde varias posiciones.

Los materiales convencionales de revestimiento duro utilizados para aplicar resistencia al desgaste de los dientes de acero de una barrena de perforación de cono de rodillos incluyen partículas de carbono de tungsteno en una matriz de metal, típicamente cobalto o una mezcla de cobalto y otros metales similares. Muchas composiciones diferentes de material de revestimiento duro se han empleado en el campo de barrenas para rocas para lograr la resistencia al desgaste, la durabilidad y facilidad de aplicación. Típicamente, estos materiales de revestimiento duro se aplican en forma de una varilla de soldadura, pero pueden encontrarse en forma de polvo para su uso con otros tipos de sopletes.

Los indicadores físicos para la calidad de una aplicación de revestimiento duro incluyen uniformidad, grosor, cobertura, porosidad, y otras propiedades metalúrgicas. Típicamente, aquella persona con experiencia en la técnica que aplica el revestimiento duro determina la calidad del revestimiento duro. La calidad del revestimiento duro varía entre las barrenas de perforación así como entre los conos de rodillos de una barrena de perforación, y los dientes individuales de un cono de rodillos. La disponibilidad limitada de los soldadores calificados ha agravado el problema debido a que la aplicación de revestimiento duro es extremadamente tediosa, repetitiva, dependiente de la experiencia, exige mucho tiempo y es costosa. La aplicación de revestimiento duro a los conos de rodillos se considera la operación más tediosa y dependiente de la experiencia en la fabricación de una barrena de perforación de cono de rodillos de dientes de acero. La consistencia de la aplicación de revestimiento duro a una barrena de perforación por un soldador experimentado varía sobre las diferentes porciones de la barrena de perforación.

Cuando se hicieron intentos por utilizar dispositivos robóticos para automatizar el proceso de soldadura, la misma configuración se utilizó para hacer que un brazo robótico remplazara el brazo del operador humano y sus movimientos variados, mientras dejaba el cono de rodillos en una tabla de colocación. La tabla de colocación es capaz de indexar de manera automática entre los dientes y las filas de dientes de un cono de rodillos.

Además, la capacidad del revestimiento duro para enlazar una barrena de perforación se ve afectada por la temperatura de la barrena de perforación cuando se aplica el revestimiento duro. Entre más caliente se encuentre la barrena de perforación durante el revestimiento duro, el revestimiento duro se enlaza mejor a barrena de perforación. También, entre más caliente se encuentre la barrena de perforación cuando se aplica el revestimiento duro, se reduce el riesgo de agrietamiento de la barrena de perforación durante el revestimiento duro.

Se describe un sistema y método para la aplicación de revestimiento duro a superficies y componentes de barrenas de perforación, componentes de barrenas de perforación, y herramientas del fondo de la perforación a niveles de temperatura elevados .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los objetos y características de la invención se entenderán más fácilmente a partir de la siguiente descripción detallada y las reivindicaciones anexas cuando se lean junto con los dibujos anexos en los cuales números similares representan elementos similares.

Los dibujos constituyen una parte de esta especificación e incluyen modalidades ejemplares de la invención, la cual puede representarse en varias formas. Se entenderá que en algunos casos diversos aspectos de la invención, pueden mostrarse en forma exagerada o alargarse para facilitar un entendimiento de la invención.

FIGURA 1 es una vista lateral de una barrena de perforación de dientes de acero.

FIGURA 1A es una vista en elevación lateral de una barrena de perforación terrestre de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La FIGURA IB es una vista en elevación lateral de una barrena de perforación terrestre tipo arrastre de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La FIGURA 2 es una vista isométrica de una fresa de dientes de acero típica tal como puede utilizarse en la barrena de perforación de dientes de acero de la FIGURA 1.

La FIGURA 2A es una vista en corte parcial de otra modalidad de un ensamble de fresa rotativa, que incluye un cono, de la presente invención y que puede utilizarse con la barrena de perforación terrestre mostrada en la FIGURA 1A.

La FIGURA 2B es una vista en corte de otra modalidad de un ensamble de fresa unitaria, que incluye un cono de la presente invención y que puede utilizarse con la barrena de perforación terrestre mostrada en la FIGURA 1A.

La FIGURA 3 es una vista isométrica de dientes de acero típicos tales como pueden ubicarse en la fresa de dientes de acero de la FIGURA 2.

La FIGURA 4 es una vista isométrica del diente de acero de la FIGURA 3, después de que se ha aplicado el revestimiento duro.

La FIGURA 5 es una vista esquemática de una modalidad preferida de un sistema de soldadura robótica que utiliza un cono precalentado de la presente invención.

La FIGURA 5A es una vista esquemática de otra modalidad del sistema de soldadura robótica que utiliza un cono precalentado de la presente invención.

La FIGURA 6 es una vista isométrica de un robot que manipula una fresa que va a meterse a revestimiento duro.

La FIGURA 7 es una vista isométrica de una fresa colocada detrás de un soplete en la preparación para la aplicación de revestimiento duro.

La FIGURA 8 es una vista isométrica de un mandril del tipo preferido conectado al extremo del robot.

La FIGURA 9 es una vista isométrica de una mordaza para un mandril de tres mordazas especialmente perfilado para incluir una parte plana de unión y una parte plana de carrera para sujetar una fresa envolvente.

La FIGURA 10 es una vista lateral esquemática de un colocador y un soplete.

La FIGURA 11 es una sección transversal esquemática del soplete.

La FIGURA 12 es una sección transversal de un soplete configurado de acuerdo con una modalidad preferida.

La FIGURA 13 es una vista isométrica que ilustra un robot que manipula una fresa envolvente en posición en la preparación de la aplicación de revestimiento duro a los extremos exteriores de los dientes .

FIGURA 13A es una vista isométrica que ilustra un robot que manipula el soplete y un robot que manipula una fresa envolvente en posición en la preparación de la aplicación de revestimiento duro a los extremos exteriores de los dientes .

La FIGURA 14 es una vista lateral que ilustra un soplete que aplica revestimiento duro al extremo exterior de un diente en la fila exterior de la fresa.

La FIGURA 15 es una vista lateral que ilustra el soplete que aplica revestimiento duro al flanco delantero de un diente en la fila exterior de la fresa.

La FIGURA 16 es una vista isométrica que ilustra un robot que manipula una fresa envolvente en posición en la preparación de la aplicación de revestimiento duro al extremo interior de un diente en la fresa.

FIGURA 17 es una vista inferior de un diente de acero típico tal como puede ubicarse en la fresa de dientes de acero de la FIGURA 2, que ilustra una trayectoria objetivo de forma de onda sustancialmente trapezoidal para la colocación de revestimiento duro de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención.

FIGURA 18 es una representación esquemática de la oscilación del soplete en el eje de oscilación "AO" que tiene un punto medio de oscilación "OM" de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención.

La FIGURA 19 es una representación esquemática de una trayectoria de soplete de forma de onda sustancialmente triangular para colocación de revestimiento duro de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención.

La FIGURA 20 es una representación esquemática de una forma de onda creada por la oscilación de la fresa con respecto a la intersección de la trayectoria objetivo y el punto medio de oscilación "OM" de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención.

FIGURA 21 es una representación esquemática de una forma de onda modificada del revestimiento duro creado de acuerdo con la modalidad preferida de la FIGURA 20.

FIGURA 22 es una representación esquemática de una forma de onda conformada generalmente rectangular creada por la oscilación de la fresa con respecto a la intersección de la trayectoria objetivo y el punto medio de oscilación "OM" de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención .

La FIGURA 23 es una representación esquemática de una forma de onda modificada de revestimiento duro creado de acuerdo con la modalidad preferida de la FIGURA 22.

La FIGURA 24 es una representación esquemática de un patrón de "ripia" de revestimiento duro aplicado a un diente de una fresa, de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención.

La FIGURA 25 es una representación esquemática de un patrón "en ángulos opuestos" de revestimiento duro aplicado a un diente de una fresa, de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención.

La FIGURA 26A es una sección transversal del cono ilustrado en la FIGURA 2A que tiene revestimiento duro aplicado al mismo.

La FIGURA 26B es una sección transversal del cono ilustrado en la FIGURA 2B que tiene revestimiento duro aplicado al mismo.

La FIGURA 27 es una vista en elevación lateral de una barrena de perforación terrestre tipo arrastre de acuerdo con una modalidad de la presente invención que tiene revestimiento duro aplicado a las porciones de la misma.

El sistema y método de la presente invención utilizan un sistema robótico que tiene un soplete de arco de transferencia de plasma asegurado a un colocador de soplete para aplicar revestimiento duro a un componente de la barrena de perforación, la barrena de perforación, o la herramienta del fondo de la perforación a un nivel de temperatura elevada. El colocador de soplete se puede controlar de manera programable en un plano vertical. El blindaje, el plasma y los gases de transporte se suministran al soplete a través de válvulas de flujo que se puede controlar de manera eléctrica o manual. Para manejar un cono de rodillos, se utiliza un robot que tiene movimiento controlable por programación de un brazo articulado. Un adaptador de mandril se conecta al brazo del robot. Un mandril de tres mordazas se conecta al adaptador de mandril. El mandril es capaz de sostener de manera segura un cono de rodillo en una posición invertida o cualquier posición deseada. El componente de una barrena de perforación o una barrena de perforación puede precalentarse en un horno o estufa o puede calentarse continuamente durante la aplicación de revestimiento duro a través del uso de cualquier aparato de calentamiento adecuado.

Un primer sensor de posición se coloca para determinar la proximidad del soplete y cualquier aparato de calentamiento localizado a una superficie de cono de rodillos o componente de una barrena de perforación o barrena de perforación. Un segundo sensor de posición puede colocarse para determinar la ubicación, orientación, o identificación del cono de rodillos. Un sistema de control programable se conecta de manera eléctrica al soplete, el colocador de soplete o el brazo robótico tiene un soplete montado en el mismo, el aparato de calentamiento, el robot, el blindaje, el plasma y las válvulas de gas de flujo de transporte y los sensores de posición para la operación programada de cada uno. El robot se programa para colocar una superficie de una fresa por debajo del soplete antes de la aplicación del material de soldadura al cono de rodillos. El aparato de calentamiento se utiliza para mantener la temperatura del cono de rodillos, el componente, o la barrena de perforación durante la aplicación de revestimiento duro para revestimiento duro mejorado del cono de rodillos, componente, o barrena de perforación.

Antes de la aplicación del revestimiento duro de los conos de rodillos, componentes de las barrenas de perforación, las barrenas de perforación, y las herramientas del fondo de la perforación, se precalentarán para evitar agrietamiento de las mismas y pueden continuar precalentándose durante la aplicación de revestimiento duro para mejorar el enlace de revestimiento duro y reducir los defectos de deposición de revestimiento duro y agrietamiento. En esta configuración, el soplete se hace oscilar en una trayectoria horizontal. Al controlar el índice de enfriamiento del cono de rodillos, el componente de una barrena de perforación o la herramienta del fondo de la perforación, o la barrena de perforación durante la aplicación de revestimiento duro, el revestimiento duro muestra un depósito de integridad más alto. El precalentamiento del cono de rodillos, los componentes de las barrenas de perforación y las herramientas del fondo de la perforación, y las barrenas de perforación antes de la aplicación de revestimiento duro puede presentarse al inducir calentamiento, calentamiento inmerso en un lecho fluidizado, calentamiento por resistencia y calentamiento radiante o por convección, calentamiento con un soplete de oxiacetileno, calentamiento utilizando gas natural, o calentamiento en un ambiente inerte. El calentamiento de un cono de rodillos, componente de una barrena de perforación, la barrena de perforación, o la herramienta del fondo de la perforación durante la aplicación de revestimiento duro puede presentarse al calentarse con un soplete de oxiacetileno, calentamiento utilizando gas natural, calentamiento radiante y calentamiento por convección.

Por ejemplo, el cono de rodillos precalentado se manipula de manera que en la trayectoria objetivo programada para cada superficie de diente se sigue debajo del punto medio de trayectoria (o indicador equivalente) del soplete oscilante. El movimiento del aparato de calentamiento durante la aplicación de revestimiento duro se programa para mantener el nivel general de temperatura del cono de rodillo, el componente de la barrena de perforación, o la barrena de perforación y mantiene el nivel de temperatura del área de cono de rodillo, componente de la barrena de perforación, la barrena de perforación o la herramienta de fondo de la perforación que tiene revestimiento duro aplicado al mismo. En un caso, el movimiento del cono de rodillos bajo el soplete genera un patrón de forma de onda de revestimiento duro, aunque cualquier patrón puede utilizarse como se desee. En una modalidad, la trayectoria objetivo es un tipo de trayectoria de fonda de onda también. Imponer la forma de onda de soplete sobre la forma de onda de trayectoria objetivo, genera un recubrimiento de alta calidad y eficiente de revestimiento duro en el cono de rodillos. Al tener adicionalmente el cono de rodillos, el componente de la barrena de perforación, o la barrena de perforación a una temperatura elevada, el enlace del revestimiento duro en el cono de rodillos, el componente de la barrena de perforación, o la barrena de perforación se mejora. En otra modalidad, el cono de rodillos se hace oscilar con respecto al soplete conforme sigue la trayectoria objetivo. Esta modalidad proporciona la capacidad de generar patrones de revestimiento duro únicos y deseables en la superficie de la fresa, mientras mantiene la simetría y cobertura, y a través del uso de mantener el cono de rodillos, el componente o la barrena de perforación a una temperatura elevada se mejora la calidad del revestimiento duro.

Una ventaja del sistema y método de la presente invención es que automatice la aplicación de revestimiento duro de conos de rodillos, componentes de las barrenas de perforación, una barrena de perforación, o una herramienta del fondo de la perforación y que incremente la consistencia y calidad del revestimiento duro aplicado, y de este modo, la conflabilidad, rendimiento y eficiencia del costo del cono de rodillos, componente de la barrena de perforación, la perforación o la herramienta del fondo de la perforación. Otra ventaja del sistema y método de la presente invención es que reduce el costo de fabricación y la confianza en los trabajadores experimentados. Otra ventaja del sistema y método de la presente invención es que al disminuir, en algunas circunstancias, el tiempo de producción, los niveles de inventario del producto pueden reducirse. Otra ventaja del sistema y método de la presente invención es que facilita la recolección automatizada de datos de soldadura, de los cuales los controles adicionales de proceso y las mejoras de diseño de proceso pueden hacerse durante el mantenimiento del cono de rodillos, componente o la barrena de perforación a una temperatura elevada.

Otra ventaja del sistema y método de la presente invención es que la utilización del brazo robótico para manipular el cono de rodillos, un brazo robótico que tiene el soplete dentado en el mismo, y un brazo robótico que tiene el aparato de calentamiento en el mismo, mejoran la oportunidad de integrar sensores para proporcionar realimentación. Otra ventaja del sistema y método de la presente invención es que la utilización del brazo robótico para manipular el cono de rodillos proporciona la angularidad de superficie a soplete necesaria para el acceso, sin interrumpir el flujo del polvo debido a cambios en el ángulo de soplete y un brazo robótico para manipular el aparato de calentamiento, mejora la calidad del revestimiento duro aplicado al cono de rodillos, componente o barrena de perforación.

Como se denomina en lo anterior, el "sistema y método de la presente invención" se refiere a una o más modalidades de la invención, cuyas referencias no se pretenden para limitar el lenguaje de las reivindicaciones o para utilizarse para interpretar las reivindicaciones. La siguiente descripción se presenta para permitir que cualquier persona con experiencia en la técnica haga y utilice la invención, y se proporciona el contexto de una aplicación particular y sus requerimientos. Varias modificaciones a las modalidades descritas serán fácilmente aparentes para aquellos con experiencia en la técnica, y los principios generales definidos en la presente pueden aplicarse a otras modalidades y aplicaciones sin apartarse del espíritu y alcance de la presente invención. De este modo, la presente invención no se pretende para limitarse a las modalidades mostradas, sino para estar de acuerdo con el alcance más amplio consistente con los principios y características descritos en la presente.

La FIGURA 1 es una vista lateral de una barrena 1 de perforación del cono de rodillos de dientes de acero. La barrena 1 de perforación tiene una pluralidad de conos 10 de rodillos. La FIGURA 2 es una vista isométrica de un cono 10 de rodillos de dientes de acero típico como puede utilizarse en la barrena de perforación de la FIGURA 1. El cono 10 de rodillos de dientes de acero tiene una pluralidad de filas de dientes 20. En la FIGURA 2, el cono 10 de rodillos tiene una fila interior de dientes 12, una fila intermedia de dientes 14, y una fila exterior de dientes 16. Cada una de las filas de dientes 12, una fila intermedia de dientes 14, y una fila exterior de dientes 16. Cada una de las filas de dientes 12, 14 y 16 tiene uno o más dientes 20 en la misma.

La FIGURA 1A es una vista en elevación lateral de una barrena 510 de perforación terrestre de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. La barrena 10 de perforación terrestre incluye un cuerpo 512 de barrena y una pluralidad de ensambles 514 de fresas giratorias. El cuerpo 512 de barrena puede incluir una pluralidad de bases 516 de barrena formadas integralmente y roscas 518 pueden formarse en el extremo superior del cuerpo 512 de barrena para su conexión a una sarta de perforación (no mostrada) . El cuerpo 512 de perforación de barrena puede tener toberas 520 para descargar fluido de perforación hacia un pozo de perforación, el cual puede regresarse junto con los sedimentos de la perforación hasta la superficie durante una operación de perforación. Cada uno de los ensambles 514 de fresas giratorias incluye un 522 que comprende acero y una pluralidad de elementos de corte, tal como las inserciones 524 de corte mostradas. Cada cono 522 puede incluir una superficie 526 de calibre cónico. Adicionalmente, cada cono 522 puede tener una configuración única de inserciones 524 de corte o elementos de corte, de manera que los conos 522 pueden girar en proximidad cercana entre sí sin interferencia mecánica .

La FIGURA IB ilustra una barrena 610 de perforación que incorpora una pluralidad de ensambles 630 de toberas en la misma. La barrena 610 de perforación se configura como una barrena de perforación completamente rotativa de fresas fijas también conocida en la técnica como barrena de arrastre. La barrena 610 de perforación incluye una corona o cuerpo 611 de barrena comprendido de cuerpo de acero o cuerpo de carburo de tungsteno sinterizado acoplado a un soporte 619. El soporte 619 incluye un fuste 613 y un componente cruzado (no mostrado) acoplado al fuste 613 para formar una junta de soldadura entre los mismos. El componente cruzado (no mostrado) , el cual se fabrica a partir de un material de acero tubular, se acopla al cuerpo 611 de barrena por el proceso de IG por pulsos para formar una junta de soldadura entre los mismos para permitir que el material de carburo de tungsteno complejo, cuando se utilice, se retenga de manera segura en el fuste 613. Se reconoce que el soporte 619, particularmente para otros materiales utilizados para formar un cuerpo de barrena, puede formarse a partir de una pieza de material unitaria o múltiples piezas de material en una configuración que difiere del fuste 613 que se acopla al cruce por juntas de soldadura como se presenta. El fuste 613 de la barrena 610 de perforación incluye roscas 612 macho convencionales configuradas a los estándares de API y adaptadas para su conexión a un componente de una sarta de perforación, no mostrada. La cara 614 del cuerpo 611 de barrena tiene montada en la misma una pluralidad de elementos 616 de corte, cada uno comprendiendo una tabla 618 de diamante policristalino (PCD) formada en un sustrato de carburo de tungsteno cementado. Los elementos 616 de corte asegurados de manera convencional en cavidades 621 para fresas respectivas por broncesoldadura, por ejemplo, se colocan para cortar un yacimiento subterráneo que se perfora cuando la barrena 610 de perforación se hace girar bajo el peso de la barrena (WOB) en un agujero de perforación. El cuerpo 611 de barrena puede incluir cortadores 623 de calibre que incluyen las tablas 618 de PCD antes mencionadas configurados con un borde plano alineado en paralelo al eje rotacional de la barrena (no mostrada) para recortar y mantener el diámetro de calibre del agujero de perforación, y las almohadillas 622 de calibre en el calibre que contactan con las paredes del agujero de perforación para mantener el diámetro del agujero y estabilizar la barrena en el agujero.

Durante la perforación, el fluido de perforación se descarga a través de ensambles 630 de tobera ubicados en lumbreras 628 de manguito en comunicación de fluido con la cara 614 del cuerpo 611 de barrena para enfriar las tablas 618 de PCD de los elementos 616 de corte y remover los elementos de perforación del yacimiento de la cara 614 de la barrena 610 de perforación en los pasajes 615 y las ranuras 617 para desperdicios.

La FIGURA 2, como se muestra por las líneas discontinuas, el interior del cono 10 de rodillos de la barrena 1 de perforación de la FIGURA 1 incluye una carrera 40 de muñón cilindrico y una carrera 42 esférica en forma semi-tórica. La carrera 40 de muñón y la carrera 42 esférica son superficies de cojinete internas que tienen un acabado maquinado después de que se ha aplicado revestimiento duro 38 a los dientes 20. La FIGURA 2A es una vista en corte transversal que ilustra uno de los ensambles 514 de corte giratorios de la barrena 510 de perforación terrestre mostrada en la FIGURA 1A. Como se muestra, cada base 516 de barrena puede incluir un perno 528 de soporte. El cono 522 puede soportarse por el perno 528 de soporte y el cono 522 puede hacerse girar sobre el perno 528 de soporte. Cada cono 522 puede tener una cavidad 530 de cono central que puede ser cilindrica y puede formar una superficie de soporte de muñón adyacente al perno 528 de soporte. La cavidad 530 de cono puede tener un soporte 532 de empuje plano para absorber el empuje impuesto por la sarta de perforación (no mostrada) en el cono 522. Como se ilustra en este ejemplo, el cono 522 puede retenerse en el perno 528 de soporte por una pluralidad de esferas 534 de bloqueo ubicadas en muescas de acoplamiento formadas en las superficies de la cavidad 530 de cono y el perno 528 de soporte. Adicionalmente, un ensamble 536 de sello puede sellar los espacios de soporte entre la cavidad 530 de cono y el perno 528 de soporte. El ensamble 536 de sello puede ser un ensamble de sello de cara metálica, como se muestra, o puede ser un tipo diferente del ensamble de sello, tal como un ensamble de sello elastomérico . El lubricante puede suministrarse a los espacios de soporte entre la cavidad 530 de cono y el perno 528 de soporte por pasajes 538 de lubricante. Los pasajes 538 de lubricante pueden llevar a un depósito que incluye un compensador 540 de presión (FIGURA 1A) .

Como se menciona previamente, el cono 522 puede comprender un material compuesto de matriz de partículas sinterizada que comprende una pluralidad de partículas duras dispersadas a través de un material de matriz. En algunas modalidades, el cono 522 puede comprenderse de manera predominante del material compuesto de matriz de partículas.

Las inserciones 524 de corte, las partes planas 523 y las estructuras 568 de soporte pueden formarse de materiales compuestos de matriz de partículas. La composición de material de cada una de las inserciones 524 de corte, las partes planas 523, las estructura 568 de soporte y el cono 522 pueden seleccionarse por separado y de manera individual para mostrar las propiedades físicas y/o químicas diseñadas para las condiciones operativas que se experimentarán por cada uno de los componentes respectivos. A manera de ejemplo, la composición de las inserciones 524 de corte y las partes planes 523 pueden seleccionarse para formar las inserciones 524 de corte que comprenden un material compuesto de matriz de partículas que muestran una dureza diferente, resistencia al desgaste y/o una tenacidad diferente de aquellas mostradas por el material compuesto de matriz de partículas del cono 522.

Las inserciones 524 de corte y las partes planas 523 pueden formarse a partir de una variedad de composiciones de materiales compuestos de matriz de partículas. La composición particular de cualquier inserción 524 de corte particular y las partes planas 523 pueden seleccionarse para mostrarse una o más propiedades físicas y/o químicas diseñadas para un yacimiento terrestre particular que se perforará utilizando la barrena 510 de perforación (FIGURA 1A) . Adicionalmente, las inserciones 524 de corte y las partes planas 523 que tienen diferentes composiciones de material pueden utilizarse en un solo cono 522.

A manera de ejemplo, en algunas modalidades de la presente invención, las inserciones 524 de corte y las partes planas 523 pueden comprender un material compuesto de matriz de partículas que incluye una pluralidad de partículas duras que son más duras que una pluralidad de partículas duras del material de matriz de partículas del cono 522. La concentración de partículas duras en el material compuesto de matriz de partículas de las inserciones 524 de corte y las partes planas 523 puede ser mayor que una concentración de partículas duras en un material compuesto de matriz de partículas del cono 522.

La FIGURA 3 es una vista isométrica de un diente 20 de acero ubicado en un cono 10 de rodillos de dientes de acero en la FIGURA 2. El diente 20 tiene un ángulo de diente incluido de T grados formado de un vértice 36. El diente 20 tiene un costado 22 delantero y un costado 24 trasero opuesto. El costado 22 delantero y el costado 24 trasero se unen en la cresta 26, la cual es la punta del diente 20. Un extremo 28 exterior generalmente triangular se forma entre el costado 22 delantero, el costado 24 trasero y la cresta 26. En el lado opuesto del diente 20, un extremo 30 interior generalmente triangular se forma entre el costado 22 delantero, costado 24 trasero y la cresta 26. Una base 32 define ampliamente la parte inferior del diente 20 y la intersección del diente 20 con el cono 10 de rodillos. La línea central 34 se extiende a través de la cresta 26 y la base 32. Varios dientes conformados alternativamente en el cono 10 de rodillos pueden utilizarse, tal como dientes que tienen crestas en forma de T . El diente 20 representa una forma común para un diente, pero el sistema y método de la presente invención pueden utilizarse en cualquier forma de diente .

Para evitar el desgaste temprano y la falla de la barrena 1 de perforación, es necesario aplicar un material extremadamente resistente al desgaste, o revestimiento duro 38, a las superficies 22, 24, 26, 28 y 30 del diente 20. La FIGURA 4 es una vista isométrica de un diente 20 de acero típico que tiene revestimiento duro 38 aplicado a las superficies 22, 24, 26, 28 y 30.

Las FIGURAS 5 y 5A son ilustraciones esquemáticas del sistema de la presente invención. En la FIGURA 5 se ilustra un dispositivo 1000 de pre-calentamiento para un cono 10 de rodillos, el componente de una barrena de perforación, la barrena de perforación o la herramienta del fondo de la perforación, tal como el dispositivo de calentamiento por inducción, un dispositivo de calentamiento por resistencia, el dispositivo de calentamiento radiante y por convección, un dispositivo que se calienta con soplete de oxiacetileno, un dispositivo de calentamiento que utiliza gas natural, o un dispositivo de calentamiento que tiene un ambiente inerte en el mismo. Antes de la aplicación del revestimiento duro del cono de rodillos, el componente de una barrena de perforación en la herramienta del fondo de la perforación, o la barrena de perforación, se precalienta en el dispositivo 1000 de precalentamiento a cualquier temperatura deseada, tal como en el margen de 204.44°C a 537.77°C (400°F a 1000°F) . El cono de rodillos, un componente de una barrena de perforación, o una herramienta del fondo de la perforación, se remueven del dispositivo 1000 de precalentamiento y se transfieren al robot 100 industrial para la aplicación de revestimiento duro al mismo. El sistema además comprende un robot 100 industrial que tiene una base 102 estacionaria y un brazo 104 articulado. El brazo 104 articulado tiene un extremo 106 para retención durante la aplicación de revestimiento duro de un cono de rodillos, el componente de una barrena de perforación o la herramienta del fondo de la perforación, o la barrena de perforación. El robot 100 tiene una pluralidad de ejes de rotación 108 sobre los cuales se permite el movimiento controlable de la colocación de amplio margen del extremo 106 distante con respecto a la base 102. El robot 100 tiene seis o más ejes que se pueden controlar de manera independiente del movimiento entre la base 102 y el extremo 106 distante del brazo 104. La FIGURA 5A ilustra una barrena 610 de perforación conectada al brazo 104 articulado, aunque la barrena 610 de perforación o la barrena 1 de perforación o porciones de cualquier barrena de perforación pueden conectarse al brazo 104 articulado para la aplicación de revestimiento duro a porciones del mismo.

El robot 100 tiene una capacidad de manejo de por lo menos 125 kg, y el brazo 104 articulado tiene un índice de torsión en la muñeca de por lo menos 750 nm. Ejemplos de robots industriales que se encuentran comercialmente disponibles incluyen los modelos IRB 6600/IRB 6500, los cuales se encuentran disponibles de ABB Robotics, Inc., 125 Bro n Road, Auburn Hills, Michigan, Estados Unidos, 48326-1507.

Un adaptador 110 se conecta al extremo 106 distante. El adaptador 110 tiene un conector 112 de conexión a tierra (véase FIGURA 7) para su conexión a un cable 114 de tierra eléctrica. Un mandril 120 se conecta al adaptador 110. El mandril 120 sujeta de manera segura el cono 10 de rodillos en la superficie 40 de soporte de muñón y/o la carrera 42 esférica, como se muestra en mayor detalle en las FIGURAS 8 y 9.

Una barrera térmica, se proporciona entre el cono 10 de rodillos y el adaptador 110 para evitar que el calor provoque falla prematura del eje 108 rotativa en el extremo 106 distante del brazo 104 articulado. La barrera térmica es un separador 116 aislante (no mostrado) ubicado entre el cono 10 de rodillos y el extremo 106 distante del robot 100. Al ernativamente, el cono 10 de rodillos puede sujetarse en una forma que proporciona un entrehierro entre el cono 10 de rodillos y el extremo 106 distante del robot 100 para proporcionar aislamiento.

Un controlador 130 de robot se conecta eléctricamente al robot 100 para manipulación programada del robot 100, que incluye el movimiento del brazo 104 articulado. Un operador pendiente 137 puede proporcionarse como conectado eléctricamente al controlador 130 de robot para la interconexión conveniente del operador con el robot 100. Un controlador 140 de sensor se conecta eléctricamente al controlador 130 de robot. El controlador 140 de sensor también puede conectarse eléctricamente a un controlador 150 lógico programable.

Una pluralidad de sensores 142 se conecta eléctricamente al controlador 140 de sensor. Los sensores 142 incluyen una cámara 144 y/o una sonda 146 de contacto. Alternativamente, los sensores 142 incluyen un indicador 148 de proximidad con láser adecuado (ilustrado como una flecha) . Otros tipos de sensores 142 también pueden utilizarse. Los sensores 142 proporcionan información interactiva al controlador 130 de robot, tal como la distancia entre un diente 20 en el cono 10 de rodillos y el soplete 300.

Un controlador 150 lógico programable se conecta eléctricamente al controlador 130 de robot. El controlador lógico programable (PLC) 150 proporciona instrucciones a los dispositivos controlables auxiliares que operan en una secuencia coordinada y programada con el robot 100.

Un sistema 160 de dosificación de polvo se proporciona para distribuir el polvo al sistema de revestimiento duro. Un controlador 162 se conecta eléctricamente al PLC 150 para distribuir el polvo en un índice deseado predeterminado.

Una fuente 170 de energía de arco piloto y una fuente 172 de energía de arco principal se conectan eléctricamente al PLC 150. Una unidad 174 de enfriamiento se conecta eléctricamente al PLC 150. En la modalidad preferida, un dispositivo de grabación de datos se conecta eléctricamente al PLC 150.

Un sistema 180 de distribución de gas se proporciona. Una fuente 182 de gas de transporte suministra gas de transporte a través de un controlador 184 de flujo para llevar o transportar polvo de soldadura de revestimiento duro al soplete 300. El controlador 184 de flujo se conecta eléctricamente al PLC 150, el cual controla la operación del controlador 184 de flujo y el flujo y el índice de flujo del gas de transporte. Una fuente 186 de gas de plasma suministra gas para formación de plasma a través de un controlador 188 de flujo. El controlador 188 de flujo se conecta eléctricamente al PLC 150, el cual controla la operación del controlador 188 de flujo y el flujo y el índice de flujo del gas de plasma. Similarmente, una fuente 190 de gas de blindaje suministra gas de blindaje a través de un controlador 192 de flujo. El controlador 192 de flujo se conecta eléctricamente al PLC 150, el cual controla la operación del controlador 192 de flujo y el flujo y el índice de flujo del gas de blindaje. Se sabe cómo utilizar una fuente de gas sencilla para más de un propósito, por ejemplo, plasma, blindaje, y transporte. De este modo, diferentes controladores de flujo múltiple, conectados en alineación serial, pueden controlar el flujo y el índice de flujo de gas desde una fuente de gas sencilla.

El soplete 300 comprende un soplete de arco transferido por plasma (PTA) , que recibe polvo de soldadura de revestimiento duro del sistema 160 de dosificación de polvo, y plasma, transporte y gas de blindaje desde sus suministros respectivos y controladores en el sistema 180 de distribución de gas. El soplete 300 se asegura a un colocador o tabla 200 de colocación, la cual sujeta y manipula el soplete 300. En la modalidad preferida, el colocador 200 tiene capacidad de colocación programada del soplete 300 en un plano sustancialmente vertical. Un colocador 200 tiene un mecanismo 202 vertical y un mecanismo 204 horizontal. Los mecanismos 202 y 204 pueden ser bandas dentadas, tornillos de rótula, una guía de deslizamiento dentada, medios neumáticos u otros. Si se desea, un robot 100 industrial tiene seis ejes controlables de manera independiente del movimiento de la base 102 y el extremo 106 distante del brazo 104. Tener seis ejes de movimiento controlables de manera independiente entre la base 102 y el extremo 106 distante del brazo 104 como se describe en la presente puede utilizarse como el colocador 200 que tiene el soplete 300 montado en el mismo.

Ilustrado en la FIGURA 5A, está el sistema ilustrado en la FIGURA 5 que además incluye un brazo 100 robótico que tiene un soplete 100' adecuado montado en el extremo 106 distante del mismo para calentar de manera selectiva porciones del cono de rodillos, el componente de una barrena de perforación, la barrena de perforación o la herramienta del fondo de la perforación mantenida por el brazo 100 robótico durante la aplicación de revestimiento duro del mismo. El brazo 100 robótico se conecta al controlador 150 lógico programable para la operación del mismo y se suministra con una mezcla de gas adecuado del sistema 180 de distribución de gas. El soplete 100' se utiliza para mantener el cono de rodillos, el componente de una barrena de perforación o la herramienta del fondo de la perforación, o la barrena de perforación en cualquier nivel de temperatura deseado durante la operación de aplicación de revestimiento duro para reducir el agrietamiento del cono de rodillos, el componente de una barrena de perforación o la herramienta del fondo de la perforación, o la barrena de perforación y para mejorar el enlace del material de revestimiento duro al cono de rodillos, el componente de una barrena de perforación o la herramienta del fondo de la perforación, o la barrena de perforación. El robot 100 que tiene el soplete 100' se manipula para calentar cualquier porción del cono de rodillos, el componente de una barrena de perforación, la barrena de perforación o la herramienta del fondo de la perforación cuando se requiere, para mantener la temperatura del mismo en cualquier nivel deseado durante la aplicación del revestimiento duro.

Las FIGURAS 6 y 7 son vistas isométricas del robot 100 mostrado manipulando el cono 10 de rodillos asegurado al adaptador 110 en el extremo 106 distante del brazo 104 articulado del robot 100. Como se ilustra en la FIGURA 6 y en las FIGURAS 13-16, los diversos ejes de rotación 108 proporcionan suficientes grados de libertad para permitir una colocación vertical, horizontal, invertida, y girada de cualquier diente 20 de cono 10 de rodillos directamente detrás del soplete 300. Como se ilustra en la FIGURA 7, el cono 10 de rodillos se coloca detrás del soplete 300 en la preparación para la aplicación de revestimiento duro 38 (FIGURA 4) .

El adaptador 110 se alinea por el indicador con el brazo 104 articulado. El adaptador 110 se alinea para alinearse sustancial y verticalmente con un eje programable de movimiento del robot 100. Un mandril 120 se conecta al adaptador 110 y el indicador alineado para encontrarse en 0.0127 cm (0.005 pulgadas) de rotación central verdadera. El cono 10 de rodillos se mantiene por el mandril 120 y también se centra por la alineación del indicador. El cono 10 de rodillos tiene muescas que permiten la ubicación y calibración del extremo del soplete 300. El electrodo 304 del soplete 300 (FIGURA 11) entonces se utiliza para alinear el cono 10 de rodillos sobre el eje z de rotación del cono 10 de rodillos por el robot 100.

Como se ilustra en la FIGURA 7, el cable 114 de tierra eléctrica se conecta eléctricamente al adaptador 110 por el conector 112 de conexión a tierra, un conector de manguito giratorio. Alternativamente, el conector 112 de conexión a tierra es un conector de escobilla. El cable 114 de tierra se soporta por un compensador de herramienta (no mostrado) para mantenerlo alejado del calor del cono 10 de rodillos y el arco de soldadura durante las operaciones de aplicación de revestimiento duro. El mandril 120 se conecta al adaptador 110. El cono 10 de rodillos se mantiene por el mandril 120.

Cuando los conos 10 de rodillos se manipulan de manera vertical, horizontal, invertida y girada, detrás del soplete 300, la conexión altamente segura del cono 10 de rodillos al robot 100 se requiere para seguridad y precisión de la operación de aplicación de revestimiento duro. La alineación de precisión de los conos 10 de rodillos con respecto al mandril 120 también es necesaria para producir un revestimiento duro de calidad y para evitar desperdicio de materiales .

La FIGURA 8 es una vista isométrica del mandril 120, un mandril de tres mordazas, que tiene mordazas 122 ajustables para sujetar un- interior hueco de un cono 10 de rodillos. Las mordazas 122 se perfilan especialmente para incluir una parte plana 124 de unión en forma de segmento cilindrico que hace contacto con la carrera 40 de muñón en el cono 10 de rodillos (FIGURA 2), que proporciona una conexión altamente segura del cono 10 de rodillos en el mandril 120 del robot 100. Un relieve 128 de sello se proporciona para acomodar una superficie de soporte de sello en el cono 10 de rodillos 10.

Se ilustra en la FIGURA 9, mordazas 122 especialmente perfiladas para incluir una parte plana 126 de carrera de forma semi-tórica sobre ' la parte plana 124 de muñón. En esta configuración, la parte plana 124 de muñón se ajusta en alineación con la carrera 40 de muñón y la parte plana 126 de carrera se ajusta en alineación con la carrera 42 esférica (FIGURA 2), que proporciona alineación precisa contra la línea central de la carrera 42 esférica y la conexión segura del cono 10 de rodillos en el mandril 120 del robot 100. El relieve 128 de sello puede proporcionarse para acomodar una superficie de soporte de sello en el cono 10 de rodillos .

La FIGURA 10 es una vista lateral esquemática del colocador 200 y el soplete 300. Como se ilustra, el colocador 200 tiene una abrazadera 206 para sostener el soplete 300 en una orientación segura y sustancialmente vertical. El mecanismo 202 vertical proporciona movimiento controlado del soplete 300 a lo largo del eje z. El mecanismo 203 conectado al PLC 150 (FIGURAS 5 y 5A) que hace girar el soplete 300 del colocador 200 sobre el eje z del soporte 201. El mecanismo 205 conectado el PLC 150 hace girar el soplete 300 del colocador 200 sobre el eje z del soporte 207. El mecanismo 209 conectado al PLC 150 hace girar el soplete 300 del 200 sobre el eje y de la abrazadera 206. El mecanismo 204 horizontal proporciona movimiento controlado del soplete 300 a lo largo del eje y. En combinación, los mecanismos 202 y 204 proporcionan movimiento controlado del soplete 300 en un plano vertical. Los mecanismos 202 y 204 se conectan eléctricamente al PLC 150.

El mecanismo 204 hace oscilar el soplete 300 a lo largo del eje y horizontal en respuesta al PLC 150 para la aplicación programada de un cordón de trayectoria ancha del revestimiento duro 38 sobre la superficie del diente 20 (FIGURA 4) del cono 10 de rodillos. El mecanismo 202 mueve el soplete 300 a lo largo del eje z vertical en tiempo real en respuesta a los cambios medidos en el voltaje o corriente entre el soplete 300 y el cono 10 de rodillos. Estos ajustes de distancia en tiempo real ocasionales mantienen el nivel de energía adecuado del arco transferido entre el soplete 300 y el cono 10 de rodillos. El sistema 180 de distribución de gas se conecta a la tubería o canalización al soplete 300 para el suministro del gas de transporte, gas de plasma y gas de blindaje. El polvo de revestimiento duro se suministra al soplete 300 dentro de la corriente de gas de transporte fluente que recibe el polvo de revestimiento duro del sistema 160 de dosificación de polvo (FIGURAS 5 y 5A) . El soplete 300 se conecta eléctricamente a la fuente 170 de energía de arco piloto y la fuente 172 de energía por arco principal.

La FIGURA 11 es una sección transversal esquemática del soplete 300. El soplete 300 tiene una tobera 302 que comprende un soplete de Arco Transferido por Plasma (PTA) . Un electrodo 304 de tungsteno no quemado (cátodo) se centra en la tobera 302 y una zona anular 306 de tobera se forma entre la tobera 302 y el electrodo 304. La zona anular 306 de tobera se conecta a la fuente 186 de gas de plasma (FIGURA 5) para permitir el flujo de plasma entre la tobera 302 y el electrodo 304. Un orificio 314 restringido acelera el flujo del gas de plasma que sale de la tobera 302. En esta modalidad, la zona anular 306 de tobera se conecta al sistema 160 de dosificación de polvo (no mostrado) , el cual suministra el polvo de revestimiento duro llevado por el gas de transporte a la zona anular 306 de tobera.

El electrodo 304 se aisla eléctricamente de la tobera 302. Un circuito 330 de arco piloto se conecta eléctricamente a la fuente 170 de energía de arco piloto (FIGURA 5) , y conecta eléctricamente la tobera 302 al electrodo 304. Un circuito 332 de arco principal se conecta eléctricamente a la fuente 172 de energía de arco principal (FIGURA 5) , y conecta eléctricamente el electrodo 304 a la pieza de trabajo de ánodo, el cono 10 de rodillos. Un aislador separa el circuito 330 de arco piloto y el circuito 332 de arco principal. Los canales 316 de enfriamiento se proporcionan en la tobera 302 para su conexión a un par de conductos 176, 178 (FIGURA 10) que circulan el fluido de enfriamiento desde la unidad 174 de aislamiento (FIGURA 5 y 5A) .

Una cuba 320 de gas rodea la tobera 302. La tobera 302 se aisla eléctricamente de la cuba 320 de gas. Una zona anular 322 de cuba se forma entre la cuba 320 de gas y la tobera 302. La zona anular 322 de cuba se conecta a la fuente 190 (FIGURAS 5 y 5A) para permitir el flujo de gas de blindaje entre la cuba 320 de gas y la tobera 302.

Un arco piloto no transferido pequeño, se quema entre el electrodo 304 de tungsteno sin fusión (no-consumible) (cátodo) y la tobera 302 (ánodo) . Un arco transferido se quema entre el electrodo 304 (cátodo) y el cono 10 de rodillos (ánodo) . Un electrodo 304 es el polo negativo y el cono 10 de rodillos es el polo positivo. El circuito 330 de arco piloto se enciende para reducir la resistencia en un arco que salta entre el cono 10 de rodillos y el electrodo 304 cuando se aplica voltaje al circuito 332 de arco principal. Un aislador cerámico separa los circuitos 330 y 332 de arco.

La soldadura de Arco Transferido por Plasma (PTA) es similar a la soldadura de Gas Inerte de Tungsteno (TIG) . El soplete 300 se suministra con gas de plasma, gas de blindaje, y gas de transporte, así como polvo de revestimiento duro. El gas de plasma de la fuente 186 de gas plasma (FIGURAS 5 y 5A) se suministra a través de la tobera 302 al electrodo 304. El gas de plasma sale de la tobera 302 a través del orificio 314. Cuando el amperaje del circuito 332 de arco principal se aplica al electrodo 304, el chorro creado del gas de plasma saliente se convierte en plasma. La fuente 186 de gas de plasma se comprende de 99.9% Argón.

El gas de blindaje de la fuente 190 de gas de blindaje se suministra a la zona anular 322 de cuba. Cuando el gas de blindaje sale de la zona anular 322 de cuba, se dirige hacia la pieza de trabajo, cono 10 de rodillos. El gas de blindaje forma una cortina cilindrica que rodea la columna de plasma, y blinda la mezcla de soldadura generada de oxígeno y otros gases químicamente activos en el aire. La fuente 190 de gas de blindaje es 95% de Argón y 5% Hidrógeno, 100% de argón, o Argón y otros gases.

La fuente 182 de gas de transporte se conecta al sistema 160 de dosificación de polvo. El sistema 160 de dosificación de polvo (FIGURAS 5 y 5A) mide el polvo de revestimiento duro a través de un conducto conectado a la tobera 302 en el índice adecuado para su depósito. El gas de transporte de la fuente 182 de gas de transporte lleva el polvo medido a la tobera 302 y al depósito de soldadura sobre el cono 10 de rodillos.

La FIGURA 12 es una sección transversal del soplete 300 en donde la cuba 320 de gas del soplete 300 tiene un diámetro menor a 0.640 pulgadas (1.6256 cm) y una longitud de menos de 4.40 pulgadas (11.176 cm) . La tobera 302 (ánodo) del soplete 300 se forma de cobre y se enfría con líquido.

Tal soplete que se encuentra comercialmente disponible es el soplete Eutectic E52 disponible de Castolin Eutectic Group, Gutenbergstrasse 10, 65830 Kriftel, Alemania.

La cuba 320 de gas se modifica de las cubas de gas comercialmente disponibles para su uso con el soplete 300 para que la cuba 320 de gas se extienda más allá de la tobera 302 por no más de aproximadamente 0.020 pulgadas (0.0508 cm) . Como tal, la cuba 320 de gas tiene una longitud general de aproximadamente 4.375 pulgadas (11.1125 cm) . Como se ve en la modalidad, el gas de transporte y el polvo se suministran a través de una lumbrera 324 de gas de transporte en la tobera 302. Un material aislante se conecta al exterior de la cuba 320 de gas del soplete 300 para ayudar a evitar un corto circuito y dañar el soplete 300. El blindaje de la cuba 320 de gas descrito en lo anterior se diseña especialmente para mejorar la cobertura de gas de blindaje de la mezcla de fusión para reducir la porosidad del mismo. Esto permite cambiar la orientación de la cuba 320 de gas a la tobera 302 (ánodo) y la reducción de la velocidad de flujo del gas de blindaje. Esta combinación reduce significativamente la porosidad que resulta de los intentos por utilizar el equipo comercial actualmente disponible para aplicar de manera robótica el revestimiento duro 38 a los conos 10 de rodillos de dientes de acero.

Parte de los problemas encontrados en el desarrollo de aplicación robótica de revestimiento duro incluyó interferencia entre el soplete y los dientes en el cono de • rodillos, el corto circuito del soplete, el flujo de polvo inconsistente, la columna de plasma insostenible, la mezcla inestable, la acumulación de calor cuando se utilizan parámetro de soldadura convencionales, depósitos de soldadura sobrecalentados, depósitos de soldadura inconsistentes, mala conformación de los dientes y otras cuestiones. Como resultado, se requirió una experimentación extensa para reducir la presente invención a la práctica.

Como se describe en la presente, el sistema y método de la presente invención comienza con la inversión de lo que ha sido la práctica convencional de conos de rodillos. Es decir, la práctica de mantener el cono 10 de rodillos generalmente estacionario y mover el soplete 300 por todo el mismo en varios ángulos cuando sea necesario. Fundamental para el sistema y método de la presente invención, el soplete 300 de preferencia se mantiene sustancialmente vertical, aunque puede mantenerse en cualquier ángulo o altitud deseada a través del uso de un colocador 200 o brazo 100 robótico, mientras el cono 10 de rodillos se mantiene por el mandril 120 del brazo 104 robótico y se manipula detrás del soplete 300. Si el soplete 300 se manipula de manera robótica por el colocador 200 o brazo 100 robótico en posiciones angulares variadas y altas con respecto a la vertical, el polvo de revestimiento duro en el soplete 300 fluirá de manera no uniforme y provocará que el soplete 300 se obture. Además de obturar el soplete 300, el flujo uniforme del polvo de revestimiento duro es critico para obtener un cordón de calidad consistente del material de revestimiento duro en el cono 10 de rodillos. De este modo, la desviación de una orientación sustancialmente vertical se evita. Aunque, si la obturación del soplete 300 no es un problema con el revestimiento duro particular que se utiliza, el soplete 300 puede orientarse en cualquier posición deseada siempre y cuando el gas de blindaje pueda proporcionarse en la posición deseada.

Ya que los términos se utilizan en esta especificación y las reivindicaciones, las palabras "generalmente" y "sustancialmente" se utilizan como descriptores de aproximación, y no palabras de magnitud. De este modo, se interpretarán como significando "ampliamente aunque no de manera necesaria totalmente." Por consiguiente, un cono 10 de rodillos precalentado del aparato 1000 de calentamiento se asegura al extremo 106 distante del brazo 104 robótico por el mandril 120 y el adaptador 110. El cono 10 de rodillos se conecta a tierra por el cable 114 de conexión a tierra el cual se conecta al adaptador 110 en el conector 112 de conexión a tierra. Proporcionar una fuente de conexión a tierra eléctrica cerca del extremo 106 distante del robot 100 es necesario, puesto que utilizar el robot 100 en la forma de función invertida de la presente invención (manteniendo la pieza de trabajo de ánodo) puede resultar de otra manera en la destrucción del robot 100 por la soldadura con arco de los componentes rotativos de los ejes móviles juntos. Si se desea, el robot 100 que tiene el soplete 100' mantiene o continua calentando el cono 10 de rodillos durante la aplicación de revestimiento duro.

El brazo 104 robótico se mueve en respuesta al control de programación del controlador 130 de robot y/o el PLC 150. Como se establece, el soplete 300 se monta en el colocador 200 que tiene dos ejes controlables en un plano sustancialmente vertical. Como se menciona previamente, un indicador físico, tal como una estría o muesca puede formarse en el cono 10 de rodillos para acoplarse por el soplete 300 para asegurar una orientación inicial adecuada desde el soplete 300, el brazo 100 robótico, y el cono 10 de rodillos. Adicionalmente, por lo menos un indicador de posición se conecta eléctricamente al PLC 150 para determinar la ubicación y orientación del cono 10 de rodillos para aplicarse con revestimiento duro con respecto al robot 100.

Después de la orientación y colocación iniciales, el gas de transferencia, de plasma y de blindaje se suministran al soplete 300 por sus fuentes 182, 186, 190, respectivas a través de sus controladores 184, 188, 192 respectivos.

El soplete 300 se enciende por la provisión de corriente desde la fuente 170 de energía de arco piloto y la fuente 172 de energía de arco principal. Encender el circuito 330 de arco piloto reduce la resistencia a un arco que salta entre el cono 10 de rodillos y el electrodo 304 cuando se aplica voltaje al circuito 332 de arco principal.

El flujo de polvo de revestimiento duro se proporciona por el sistema 160 de dosificación de polvo que distribuye las cantidades controladas de polvo de revestimiento duro en un conducto de gas de transporte fluente desde la fuente 182 de gas de transporte, que tiene un índice de flujo controlado por el controlador 184 de flujo. Después, el movimiento relativo, principalmente del cono 10 de rodillos con respecto al soplete 300, como se describe en lo anterior y en lo siguiente, se obtiene por el movimiento del brazo 10 robótico y el colocador 200, que permite la aplicación automatizada de revestimiento duro 38 a las diversas superficies seleccionadas del cono 10 de rodillos en respuesta a la programación del controlador 130 de robot y el PLC 150.

Un sensor 142 de imágenes puede proporcionarse para identificar los conos 10 de rodillos y/o las partes de los conos 10 de rodillos que van aplicarse con revestimiento duro. Un sensor 142 láser (FIGURA 5) también puede proporcionarse para determinar la proximidad del soplete 300 en el cono 10 de rodillos y el diente 20, y/o para medir el espesor del revestimiento duro 38 aplicado. La colocación y otros parámetros de programación se pueden corregir basándose en la adquisición de datos del sensor 142 y su procesamiento.

El controlador 130 de robot es principalmente responsable del control del brazo 100 robótico, mientras el PLC 150 y el grabador 190 de datos proporcionan la recolección y procesamiento de datos del sensor 142, el análisis de datos y el ajuste de proceso, los ajustes en el movimiento del robot 100, la oscilación del soplete 300, y la operación del soplete 300, incluyendo la energía, índices de flujo de gas y las tasas de alimentación de material.

Las FIGURAS 13, 13A, y 14 ilustran el robot 100 que manipula un cono 10 de rodillos precalentado, precalentado por el aparato 1000 de precalentamiento en posición para aplicar el material de revestimiento duro al extremo 28 exterior del diente 20 en la fila 16 exterior del cono 10 de rodillos mientras otro robot 100 que tiene un soplete 100' sobre el mismo (Véase FIGURA 13A) mantiene la temperatura del cono 10 de rodillos. La FIGURA 15 ilustra el soplete 300 en su posición para aplicar el revestimiento duro al costado 22 delantero o el costado 24 trasero del diente 20 en la fila 16 exterior del cono 10 de rodillos. La FIGURA 16 es una vista isométrica que ilustra el robot 100 que manipula el cono 10 de rodillos en su posición en la preparación para la aplicación del revestimiento duro 38 en el extremo 30 interior del diente 20.

Como puede observarse en la FIGURA 6 y en las FIGURAS 13-16, varios ejes de rotación 108 del brazo 100 robótico proporcionan grados suficientes de libertad para permitir la colocación vertical, horizontal, invertida y girada del cono 10 de rodillos detrás del soplete 300, que permite al soplete 300 acceder a las diversas superficies del cono 10 de rodillos mientras mantiene al soplete 300 en una posición sustancialmente vertical. Además de proporcionar un sistema y aparato que dirijan las realidades de la aplicación automatizada de revestimiento duro a las superficies complejas de los conos de rodillos, la presente invención proporciona un sistema y método o patrón de aplicación del material de revestimiento duro a las fresas que se adapta para aprovechar el movimiento relativo controlado de manera precisa entre el soplete 300 y el cono 10 de rodillos hecho posible por el aparato de la presente invención. Estos patrones se describirán con referencia a las FIGURAS 17 a 25 a continuación.

El sistema y método antes descritos de la presente invención han resuelto estas cuestiones y habilitado el desarrollo del método para aplicar revestimiento duro de la presente invención. La presente invención incluye un patrón de revestimiento duro creado por la superposición de una primera trayectoria de forma de onda en una segunda trayectoria de forma de onda.

La FIGURA 17 es una vista inferior de un diente 20 de acero típico, tal como puede ubicarse en el cono 10 de rodillos, que ilustra una primera trayectoria 50 objetivo de forma de onda definida de acuerdo con la presente invención. El diente 20 tiene un ángulo T incluido real o aproximado. El vértice 36 del ángulo T incluido yace en la línea central 34 del diente 20. La línea central 34 se extiende a través de la cresta 26 y la base 32.

Como se ilustra, la trayectoria 50 objetivo recorre sobre la superficie del diente 20. A manera de ejemplo, se muestra la superficie 28 extrema exterior, pero aplica a todas y cada una las superficies del diente 20. La trayectoria 50 objetivo tiene numerosas características. La trayectoria 50 objetivo puede comenzar con una trayectoria 52 de ataque ubicada cerca de la cresta 26. Las diversas superficies de los dientes 20 de preferencia se sueldan de la cresta 26 más cercana hacia la base 32, cuando sea posible, para controlar la acumulación de calor.

Después de esto, la trayectoria 50 objetivo recorre la superficie del diente 20 en trayectorias paralelas mientras avanza en la dirección de la base 32. La trayectoria 50 objetivo se comprende de las trayectorias 54 recorridas, que cruza la línea central 34, se alternan en dirección y generalmente son paralelas a la cresta 26.

Las trayectorias 56 escalonadas conectan las trayectorias 54 recorridas para formar la trayectoria 50 objetivo continua. Las trayectorias 56 escalonadas no se invierten, pero avanzan en la dirección de la base 32. Las trayectorias 56 escalonadas de preferencia son generalmente paralelas a los lados de la superficie que se aplica con revestimiento duro. Como tales, las trayectorias 56 escalonadas se disponen en un ángulo de aproximadamente T/2 a la línea central 34. Tomadas en conjunto, las trayectorias 54 recorridas y las trayectorias 56 escalonadas forman la trayectoria 50 objetivo como una forma de onda estacionaria, generalmente trapezoidal sobre la línea central 34, que tiene una amplitud del incremento en la dirección de la base 32.

El amperaje del soplete 300 se aplica en proporción a la longitud de la trayectoria 54 de recorrido. Esto permite a la generación de una buena definición del cordón de calidad en el revestimiento duro 38. Esto se obtiene al comenzar en el amperaje más bajo en la trayectoria 54 de recorrido más cerca de la cresta 26 de diente 20, e incrementa el amperaje en proporción a la longitud de la trayectoria 54 de recorrido donde se aplica el revestimiento duro 38.

Alternativamente, el amperaje y el flujo de polvo se incrementan conforme el revestimiento duro 38 se aplica a la cresta 26. Esto resulta en una altura incrementada de las crestas 26 soldadas de manera automática en su altura de diseño total. Las trayectorias 54 de recorrido programadas para los costados 22 y 24, la superficie 30 interior y la superficie 28 exterior también se modifican de manera que solapen las crestas 26 lo suficiente para crear el perfil deseado y para proporcionar suficiente soporte a las crestas 26 (FIGURA 3 ) .

Las soldaduras de secuencia de programación de la superficie de un diente de plano horizontal, entonces se desplaza alrededor del eje de cono de rodillos la cantidad necesaria para alinearse con la siguiente superficie de diente. También, los dientes se sueldan desde la punta hasta la raíz para mejorar la transferencia de calor del diente y evitar la acumulación de calor. La soldadura se alterna entre las filas de dientes en el cono de rodillos para reducir la acumulación de calor.

La FIGURA 18 es una representación esquemática de la oscilación del soplete 300. En esta ilustración, x-y define un plano horizontal. El soplete 300 se puede mover en el plano vertical z-y perpendicular al plano x-y. El eje y es eje de oscilación ("AO"). El soplete 300 se oscila a lo largo del AO. El punto medio de oscilación se identifica como OM. La oscilación del soplete 300 se controla por las instrucciones del controlador 150 lógico programable proporcionado al mecanismo 204 horizontal del colocador 200. El soplete 300 tiene una velocidad lineal variable a lo largo del eje de oscilación AO dependiendo de las características del material de cono de rodillos y el revestimiento duro que se aplica.

La FIGURA 19 es una representación esquemática de una segunda trayectoria 60 de soplete de forma de onda formada de acuerdo con la presente invención. El revestimiento duro se aplica a un diente 20 al oscilar el soplete 300 mientras se mueve el cono 10 de rodillos en la trayectoria 50 objetivo detrás del soplete 300. De esta manera, el revestimiento duro se aplica al superponer la forma de onda de la trayectoria 60 de soplete sobre la forma de onda de la trayectoria 50 objetivo. Al superponer la trayectoria 60 de soplete sobre la trayectoria 50 objetivo, se crea un patrón superior de revestimiento duro. De manera más específica, la forma de onda superpuesta genera un cordón de revestimiento duro uniforme y continuo, se define adecuadamente y cubre eficientemente toda la superficie del diente 20 con el espesor deseado de material y sin acumulación excesiva de calor.

Como se utiliza en la presente, los términos "forma de onda," "forma de onda trapezoidal" y "forma de onda triangular" no se pretenden para interpretarse o definirse por cualquier recurso diferente a los dibujos y la descripción proporcionada en la presente. De manera más específica sólo se utilizan como descriptores de las formas de trayectoria generales a las cuales se han aplicado en la presente .

Como se muestra en la FIGURA 19, la trayectoria 60 de soplete tiene una amplitud ?. Se prefiere tener un ? entre 3 mm y 5 mm. Se prefiere más tener un ? de aproximadamente 4 mm. La trayectoria 54 de recorrido (FIGURA 17) se coloca en relación aproximadamente perpendicular al eje de oscilación de soplete 300, en el punto medio de oscilación (OM) . La forma de onda de la trayectoria 60 de soplete se forma al hacer oscilar el soplete 300 mientras se mueve el cono 10 de rodillos a lo largo de la trayectoria 54 de recorrido detrás del OM del soplete 300. De este modo, la trayectoria 54 de recorrido de la trayectoria 50 objetivo se vuelve el eje sobre el cual la forma de onda generalmente triangular de la trayectoria 60 de soplete oscila.

La trayectoria 60 de soplete tiene una velocidad de propagación Vt de entre 1.2 y 2.5 mm por segundo en la intersección de la trayectoria 54 de recorrido y el OM del soplete 300. El cono 10 de rodillos se coloca y se mueve por instrucciones del controlador 130 de robot proporcionado por para el robot 100. El robot 100 mueve el cono 10 de rodillos para alinear la trayectoria 50 objetivo directamente detrás del OM. El cono 10 de rodillos se mueve de manera que el OM avanza a lo largo de la trayectoria 50 objetivo a una velocidad lineal (velocidad de trayectoria objetivo) de entre 1 y 2.5 mm por segundo.

Como se ilustra, un periodo 60 de permanencia momentáneo se programa para transcurrir entre los picos de oscilación del soplete 300 en donde el periodo 68 de residencia ayuda a evitar que la forma de onda generalmente triangular de la trayectoria 60 de soplete sea una forma de onda triangular verdadera. De preferencia, el periodo 68 de residencia se encuentra en 0.1 a 0.4 segundos.

La FIGURA 20 es una representación esquemática de la oscilación 80 secundaria de la trayectoria 54 de recorrido que modifica la trayectoria 60 de soplete. La trayectoria 54 de recorrido se oscila como una función de la ubicación del punto medio de oscilación OM en la trayectoria 50 objetivo. La oscilación 80 secundaria se crea al articular de manera gradual el cono 10 de rodillos entre las trayectorias 56 escalonadas conforme el punto medio de oscilación OM del soplete 300 de oscilación pasa sobre la trayectoria 54 de recorrido. Cada trayectoria 54 de recorrido constituye ½? de una longitud de onda de la oscilación 80 secundaria. Puesto que las trayectorias 54 de recorrido son de diferentes longitudes, la longitud de onda de la oscilación 80 secundaria se expende conforme la aplicación de revestimiento duro avanza hacia la base 32 del diente 20 . Por ejemplo, donde ai representa una primera trayectoria 54 de recorrido y 2 representa la siguiente trayectoria 54 de recorrido, OÍI< a2 .

La FIGURA 21 es una vista inferior del diente 20 de acero que ilustra la trayectoria 54 de recorrido conectadas por las trayectorias 56 escalonadas para formar la primera trayectoria 50 objetivo de forma redonda. La segunda trayectoria 60 de soplete en forma de onda se superpone sobre la trayectoria 50 objetivo. Cuando la oscilación 80 secundaria se imparte sobre la trayectoria 54 de recorrido, resulta una alteración tipo acordeón de la segunda trayectoria 60 de soplete en forma de onda.

Con referencia a la FIGURA 20 y la FIGURA 21, un ángulo de articulación máxima de aproximadamente |?/2| del cono 10 de rodillos se presenta en cada trayectoria 56 escalonada. En una modalidad opcional, cuando el punto medio de oscilación OM del soplete 300 avanza en cada trayectoria 56 escalonada, la oscilación 80 secundaria se detiene. Esto puede hacerse opcionalmente basándose en la cobertura de trayectoria previa (revestimiento duro) de la trayectoria 56 escalonada. El punto 90 en la FIGURA 20 representa esquemáticamente los periodos de residencia.

Cuando el cono 10 de rodillo se mueve a lo largo de la trayectoria 54 de recorrido, el cono 10 de rodillo se articula gradualmente por el robot 100 hasta que el eje de oscilación AO (véase FIGURA 18) es sustancialmente perpendicular a la trayectoria 54 de recorrido en la línea central 34 del diente 20. Esto ocurre de manera esquemática en el punto 88 en la FIGURA 20. Cuando el cono 10 de rodillos continúa moviéndose a lo largo de la trayectoria 54 de recorrido, el cono 10 de rodillo se articula gradualmente por el robot 100 hasta que la trayectoria 56 escalonada nuevamente se encuentra en paralelo al eje de oscilación AO. Esto ocurre cuando el punto medio de oscilación OM llega en una trayectoria 56 escalonada subsiguiente. En este punto, la articulación máxima de T/2 se ha impartido al cono 10 de rodillos. La oscilación se detiene en el punto 90 hasta que el punto medio de oscilación OM llega a la trayectoria 54 de recorrido subsiguiente. El cono 10 de rodillos entonces se articula gradualmente nuevamente por el robot 100 hasta que la trayectoria 54 de recorrido nuevamente es perpendicular al eje de oscilación AO de la línea central 34 del diente. Esto ocurre en el punto 92 en la FIGURA 20.

La oscilación secundaria del cono 10 de rodillos continúa hasta que la trayectoria 56 escalonada subsiguiente es paralela al eje de oscilación AO, cuando el punto medio de oscilación OM llega a la trayectoria 56 escalonada subsiguiente. En este punto, una articulación máxima de -T/2 se ha impartido al cono 10 de rodillos. La oscilación nuevamente se detiene en el punto 90 hasta que el punto medio de oscilación OM llega a la trayectoria 54 de recorrido subsiguiente .

El robot 100 hace girar el cono 10 de rodillos de un máximo de ángulo T/2 en la intersección de la trayectoria 54 de recorrido y la trayectoria 56 escalonada, de manera que la trayectoria 56 escalonada y el borde de aproximación del diente 20 se orientan generalmente en paralelo al eje de oscilación AO del soplete 300. La forma de onda de la trayectoria 60 de soplete de este modo se modifica sustancialmente, conforme el soplete 300 se aproxima a cada trayectoria 56 escalonada. El resultado de aplicación es un patrón 39 de "ripia" muy eficiente y sólido del revestimiento duro 38 cerca de la línea central 34 del diente 20. La FIGURA 24 es una representación esquemática de patrón 39 de "ripia" .

Opcionalmente, la oscilación del cono 10 de rodillos puede detenerse cuando el punto medio de oscilación OM se encuentra cerca de la línea central 34 del diente 20 para obtener una deposición de cordón más uniforme a través del ancho del diente 20. En la modalidad preferida, la trayectoria 56 escalonada se desplaza ligeramente del borde del diente 20 por una distancia d.

La velocidad de trayectoria de la trayectoria 56 escalonada puede ser mayor que la velocidad de trayectoria de la trayectoria 54 de recorrido, de manera que la cantidad de revestimiento duro depositada se controla para proporcionar la protección deseada de borde para el diente 20. Se prefiere que la longitud de la trayectoria 56 escalonada sea mayor que la altura ?, y menor que 2?. De preferencia, la trayectoria 56 escalonada es de aproximadamente 5 mm. De este modo, el revestimiento duro depositado sobre dos trayectorias 54 de recorrido adyacente se solaparán. De preferencia, la longitud del solapamiento es de aproximadamente 3 mm. Generar este solapamiento crea una superficie lisa sin defectos tipo grietas .

El cono 10 de Rodillos puede precalentarse para evitar una tensión inducida por calor. Cuando sea necesario, las porciones de las soldaduras puede interrumpirse durante el proceso para reducir y controlar la acumulación de calor. De preferencia, crestas 26 se forman en tres pasos interrumpidos, en los cuales la interrupción proporciona estabilización de enfriamiento y conformación del material aplicado del paso previo.

La FIGURA 22 es una representación esquemática de Otra modalidad en el sistema y método de la presente invención," en donde la oscilación 80 secundaria de trayectoria 54 de recorrido nuevamente modifica la trayectoria 60 de soplete. Sin embargo, en esta modalidad, la oscilación 80 secundaria se crea por la articulación relativamente repentina y completa del cono 10 de rodillos en la trayectoria 56 escalonadas conforme el punto medio de oscilación OM del soplete 300 oscilante alcanza o casi alcanza la trayectoria 56 escalonada. Cada trayectoria 54 de recorrido constituye ½? de una longitud de onda de la oscilación 80 secundaria. Puesto que las trayectorias 54 de recorrido son de diferentes longitudes, la longitud de onda de la oscilación 80 secundaria se extiende conforme la aplicación de revestimiento duro avanza hacia la base 32 del diente 20 . Por ejemplo, donde ? representa una primera trayectoria 54 de recorrido y 2 representa la siguiente trayectoria 54 de recorrido a?<a2 .

LA FIGURA 23 es una vista inferior del diente 20 de acero que ilustra las trayectorias 54 de recorrido conectadas por las trayectorias 56 escalonadas para formar la primera trayectoria 50 objetivo de forma de onda. La segunda trayectoria 60 de soplete de forma de onda se superpone sobre la trayectoria 50 objetivo. Cuando la oscilación 80 secundaria se imparte sobre la trayectoria 54 de recorrido, un patrón de ángulos opuestos del revestimiento duro 38 se produce en la superficie del diente 20.

Con referencia a la FIGURA 22 y la FIGURA 23, un ángulo de articulación máximo de aproximadamente |?/2| del cono 10 de rodillos se presenta en cada trayectoria 56 escalonada (como medido desde la línea central 34 del diente 20) . En esta modalidad, un punto medio de oscilación OM del soplete 300 avanza en cada trayectoria 56 escalonada, se detiene la oscilación 80 secundaria. Los períodos de residencia se representan esquemáticamente por los puntos altos y bajo de la oscilación 80 secundaria en la FIGURA 22.

Cuando el cono 10 de rodillos se mueve a lo largo de la trayectoria 54 de recorrido, no se articulan de nuevo por el robot 100 hasta que el punto medio de oscilación OM del soplete 300 alcanza o casi alcanza la trayectoria 56 escalonada subsiguiente. Esto ocurre de manera esquemática en el punto 96 de la FIGURA 22. En este punto, el cono 10 de rodillos se articula por el robot 100 en una cantidad angular T, que alinea la trayectoria 56 escalonada subsiguiente substancialmente paralela al eje de oscilación AO.

Una fila 54A de recorrido comprenderá la linea central de una serie de columnas paralelas de revestimiento duro 38 inclinadas en un ángulo a la linea central 34 del diente 20. Como se ilustra, el ángulo es de aproximadamente T/2. Adicionalmente, la fila 54A de recorrido tendrá una fila 54B de recorrido adyacente que comprende la línea central de una serie de columnas paralelas de revestimiento duro 38, inclinadas en un ángulo a la línea central 34 del diente 20, donde el ángulo es aproximadamente -(T/2). Aún, el revestimiento duro 38 de la fila 54A de recorrido y el revestimiento duro 38 de la fila 54B de recorrido se solaparán. El resultado de aplicación es un patrón 41 de "ángulos opuestos" muy deficiente y sólido del revestimiento duro 38 cerca de la línea central 34 del diente 20. La FIGURA 25 es una representación esquemática del patrón 41 de "ángulos opuestos" .

Como alternativa, se obtiene una configuración de diente 20 cóncava al soldar la cresta 26 en dos pasos. El primer paso agrega altura, cuando el segundo paso se hace sin pausas, el revestimiento duro 38 aplicado a la cresta 26 agrega ancho y sale del lado deseado.

Las FIGURAS 26A y 26B ilustran el revestimiento duro 38 aplicado utilizando los sistemas y métodos descritos en la presente a los conos 514 y 514' ilustrados en la FIGURA 2A y 2B para proporcionar protección a las porciones de conos de materiales sinterizados utilizando las inserciones 524 como dientes o fresas.

La FIGURA 27 ilustra el revestimiento duro 38 aplicado utilizando los sistemas y métodos descritos en la presente a una barrena 610 de perforación, aunque el revestimiento duro puede aplicarse a cualquier tipo de barrena de perforación o porciones de la misma como se describe en la presente.

Como será fácilmente aparente para aquellos con experiencia en la técnica que los principios generales definidos en la presente pueden aplicarse a otros modalidades y aplicaciones, sin aparte del espíritu y alcance de la presente invención.

Habiendo de este modo descrito la presente invención por referencia a ciertas de sus modalidades preferidas, se observa que las modalidades descritas son ilustrativas en lugar de limitantes por naturaleza y que una amplia gama de variaciones, modificaciones, cambios y sustituciones se contemplan en la descripción anterior y, en algunos casos, algunas características de la presente invención pueden emplearse sin un uso correspondiente de otras características. Muchas variaciones y modificaciones pueden considerarse deseables por aquellos con experiencia en la técnica basándose en una revisión de la descripción anterior de las modalidades preferidas. Por consiguiente, es apropiado que las reivindicaciones anexas se interpreten ampliamente en una forma consistente con el alcance de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para depositar material de revestimiento duro sobre porciones de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación, caracterizado porque comprende: un aparato de precalentamiento para calentar una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación; un primer robot que tiene un brazo articulado controlable por programación conectado a un soplete de arco de transferencia por plasma asegurado al mismo que tiene una tobera, el primer robot programado para colocar el soplete sobre una superficie de una porción de la barrena de perforación en un plano deseado encima del mismo antes de la aplicación del material de revestimiento duro a una porción de la barrena de perforación y para oscilar el soplete con respecto a la porción de la barrena de perforación; un suministro de gas de plasma al soplete que tiene una válvula de flujo eléctricamente controlable; un suministro de gas de blindaje al soplete que tiene una válvula de flujo eléctricamente controlable; un suministro de gas de transporte al soplete que tiene una válvula de flujo eléctricamente controlable; un sistema de dosificación de polvo conectado al suministro de gas de transporte; un segundo robot que tiene un brazo articulado controlable por programación, el segundo robot programado para colocar una superficie de una fresa en un plano substancialmente horizontal bajo el soplete antes de la aplicación del material de revestimiento duro a la fresa; un mandril de mordazas conectado al brazo articulado controlable por programación del segundo robot, el mandril de mordazas asegura una fresa de barrena para roca; por lo menos un sensor para determinar una ubicación de una superficie de la fresa; y un sistema de control programable conectado eléctricamente al primer robot, el segundo robot y por lo menos un sensor.

2. Un sistema para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación, caracterizado porque comprende: un aparato de precalentamiento para calentar uno de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación; un colocador de soplete que tiene el movimiento controlable por programación en un plano vertical; un soplete de arco de transferencia de plasma asegurado al colocador de soplete en una orientación sustancialmente vertical y que tiene una tobera dirigida hacia abajo; un suministro de gas de plasma al soplete que tiene una válvula de flujo eléctricamente controlable; un suministro de gas de blindaje al soplete que tiene una válvula de flujo eléctricamente controlable; un suministro de gas de transporte al soplete que tiene una válvula de flujo eléctricamente controlable; un sistema de dosificación de polvo conectado a un suministro de gas de transporte; un robot que tiene un brazo articulado controlable por programación; un mandril de mordazas conectado al brazo articulado controlable por programación, el mandril de mordazas asegura una fresa de barrena para roca; por lo menos un sensor para determinar una ubicación de una superficie de la fresa; un sistema de control programable conectado eléctricamente al colocador de soplete, el soplete, el robot, y por lo menos un sensor; en donde el robot se programa para colocar una superficie de la fresa en un plano substancialmente horizontal por debajo del soplete antes de la aplicación del material de revestimiento duro a la fresa; y en donde el colocador se programa para oscilar el soplete a lo largo de un eje substancialmente horizontal.

3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: el colocador se programa para mover el soplete en un eje vertical; y en donde el movimiento del soplete a lo largo del eje vertical controla una salida de voltaje del soplete.

4. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: una placa adaptadora conectada a tierra eléctricamente, conectada al brazo articulado controlable por programación; y el mandril de mordazas conectado a la placa adaptadora conectada a tierra eléctricamente.

5. El sistema de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque comprende: el mandril de mordazas que tiene tres mordazas; cada mordaza tiene una porción de segmento cilindrico que acopla una porción de carrera de muñón interna de la fresa; y cada mordaza tiene una porción del segmento tórico adaptada para recibir una porción de carrera esférica interna de la fresa.

6. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: un adaptador que se alinea para alinearse sustancial y verticalmente con un eje programable del movimiento del robot.

7. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: el mandril de mordaza se alinea por la colocación del indicador con una pestaña ahusada para girar dentro de una tolerancia rotacional de 0.005 pulgadas (0.0127 cm) .

8. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: una placa adaptadora conectada al brazo articulado controlable por programación; el mandril de mordazas conectado a una placa adaptadora; ya un disipador térmico proporcionado entre la placa adaptadora y la fresa.

9. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: un entrehierro proporcionado entre la fresa y el mandril de mordazas.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: un material aislante térmico conectado al mandril de mordaza .

11. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: el soplete que tiene una cuba de gas de blindaje que rodea un ánodo; y el ánodo se enfría por líquido.

12. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: el soplete tiene una cuba de gas de blindaje que rodea un ánodo; y la cuba de gas de blindaje tiene una longitud de menos de 4.40 pulgadas (11.176 cm) .

13. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: el soplete tiene una cuba de gas de blindaje que rodea un ánodo; y la cuba de gas de blindaje se extiende más allá del ánodo por menos de 0.020 pulgadas (0.0508 cm) .

14. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: el soplete tiene una cuba de gas de blindaje que rodea un ánodo; y la cuba de gas de blindaje tiene un diámetro de menos de 0.640 pulgadas (1.6256 cm) .

15. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: el soplete tiene una cuba de gas de blindaje que rodea un ánodo; y un material aislante conectado al exterior de una porción de cuba de gas del soplete.

16. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: un sensor de imagen dirigido a un área de un diente que se aplica con revestimiento duro.

17. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: un sensor de imagen conectado eléctricamente al sistema de control programable.

18. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: una válvula de flujo de gas de blindaje que se puede controlar por el sistema de control de programable; y un índice de flujo de gas de blindaje que se incrementa progresivamente para evitar porosidad.

19. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: índices de alimentación de material de relleno que se pueden controlar por el sistema de control programable.

20. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende: una corriente eléctrica suministrada al soplete que se puede controlar por el sistema de control programable.

21. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende otro robot que tiene un brazo articulado controlable por programación que tiene un soplete conectado al mismo.

22. Un método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación, caracterizado porque comprende: proporcionar un aparato de precalentamiento; proporcionar un soplete de arco de transferencia de plasma verticalmente orientado asegurado a un colocador que tiene un movimiento controlable en un plano sustancialmente vertical ; asegurar una fresa envolvente a un mandril montado en un brazo articulado de un robot; colocar una superficie de un diente la fresa envolvente en una relación substancialmente perpendicular detrás del soplete; oscilar el soplete a lo largo de un eje substancialmente horizontal; mover la fresa envolvente con el brazo articulado del robot en un plano detrás del soplete oscilante; y depositar un material de revestimiento duro en el diente de la fresa envolvente.

23. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende : medir un voltaje de un arco transferido entre un electrodo soplete y la fresa envolvente; comunicar los datos de medición de voltaje a un controlador de PLC; calcular una diferencia entre el voltaje medido y un voltaje deseado; calcular un ajuste de longitud de arco necesario para obtener el voltaje deseado; y activar el colocador de soplete para mover verticalmente el ajuste de longitud de arco.

24. El método para depositar el material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende: oscilar el soplete en una dirección vertical para mantener una salida de voltaje sustancialmente constante del soplete .

25. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende : un amperaje del soplete incrementado de manera proporcional conforme una trayectoria de soldadura se mueve hacia una porción más gruesa del diente.

26. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado además porque comprende: el amperaje del soplete es proporcional a una longitud de trayectoria de recorrido.

27. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende : la oscilación del soplete a lo largo del eje substancialmente horizontal que tiene una longitud de trayectoria de entre aproximadamente 6 mm y 10 mm.

28. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende: oscilar el soplete a lo largo de un eje substancialmente horizontal; y mover la fresa envolvente con el brazo articulado del robot en un plano detrás del soplete oscilante para generar una forma de onda generalmente triangular.

29. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende: proporcionar una trayectoria objetivo que forma una primera forma de onda sobre una linea central de una superficie de un diente para aplicarse con revestimiento duro ; la trayectoria objetivo tiene porciones de recorrido de diente sustancialmente paralelas a una porción de cresta de diente; la trayectoria objetivo tiene una trayectoria escalonada que interconecta dos porciones de recorrido; la trayectoria escalonada es substancialmente paralela a un borde del diente; y mover la fresa envolvente de manera que un punto medio la oscilación del soplete sustancialmente sigue la trayectoria objetivo.

30. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado además porque comprende : proporcionar una trayectoria de ataque conectada a la trayectoria objetivo para deposición inicial de revestimiento duro.

31. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 30, caracterizado además porque comprende: la trayectoria objetivo comienza cerca de una porción de cresta del diente y finaliza cerca de una porción base del diente.

32. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado además porque comprende: las trayectorias de recorrido y las trayectorias escalonadas forman una forma de onda generalmente trapezoidal sobre la línea central del diente; y en donde la primera forma de onda tiene una amplitud en incremento en una dirección de la porción base del diente.

33. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 32, caracterizado además porque comprende: una velocidad de trayectoria de la trayectoria escalonada es mayor que una velocidad de trayectoria de la trayectoria de recorrido.

34. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 33, caracterizado además porque comprende : la oscilación del soplete momentáneamente detenida a un grado de oscilación.

35. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado además porque comprende : un período de residencia que se encuentre entre aproximadamente 0.1 a 0.4 segundos.

36. El método para depositar material de revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque comprende: calentar una de la porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación utilizando un aparato de calentamiento mantenido por un brazo robótico mientras se aplica revestimiento duro en una de una porción de una barrena de perforación y una herramienta del fondo de la perforación.

37. Un método para depositar material de revestimiento duro en una porción de una herramienta para petróleo caracterizado porque comprende: proporcionar un aparato de precalentamiento para calentar la herramienta para petróleo; proporcionando un soplete de arco de transferencia por plasma verticalmente orientado asegurado a un colocador que tiene un movimiento controlable en un plano sustancialmente vertical; asegurar una fresa en un mandril montado en un brazo articulado de un robot; precalentar la herramienta para petróleo en el aparato de pre-calentamiento; colocar una superficie de la herramienta para petróleo en una relación substancialmente perpendicular detrás del soplete; proporcionar una primera trayectoria objetivo de forma de onda; oscilar el soplete a lo largo de un eje substancialmente horizontal; y mover la fresa con el brazo articulado del robot detrás de un punto medio de una trayectoria de soplete oscilante para imponer una segunda forma de onda de soplete sobre la primera trayectoria objetivo de forma de onda para crear un patrón de revestimiento duro en una porción de la herramienta para petróleo.

38. El método para depositar material de revestimiento duro en una porción de una herramienta para petróleo de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado además porque comprende: oscilar la orientación de la herramienta para petróleo al soplete alrededor del eje z del punto medio de oscilación de soplete conforme se mueve la herramienta para petróleo, la oscilación de la herramienta para petróleo es una función de la posición de la herramienta para petróleo en la primera trayectoria objetivo de forma de onda.

39. El método para depositar material de revestimiento duro en una porción de una herramienta para petróleo de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque comprende: la oscilación de la herramienta para petróleo se detiene cuando la herramienta para petróleo se mueve a lo largo de las trayectorias escalonadas.

40. El método para depositar material de revestimiento duro en una porción de una herramienta para petróleo de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque comprende: calentar la herramienta para petróleo, mientras se aplica el revestimiento duro a la misma.

41. El método para depositar material de revestimiento duro en una porción de una herramienta para petróleo de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque comprende: precalentar la herramienta para petróleo a una temperatura en el margen de 204.44°C a 537.77°C (400°F a 1000°F) .

42. El método para depositar material de revestimiento duro en una porción de una herramienta para petróleo de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque comprende: mantener una temperatura una porción de la herramienta para petróleo en el margen de 204.44°C a 537.77°C (400SF a 10002F) , mientras se aplica el revestimiento duro a la misma.