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In this paper, titanium-di-boride is dispersed on a cold-working tool steel by use of a pulsed fiber laser with high beam quality to produce separated and elevated surface features. The potential to adjust the geometry as well as the mechanical properties of the produced structures in dependence on the process parameters (pulse power, pulse duration) is described by means of metallographic and topographical investigations. It can be ascertained that very hard (hardness > 1000 HV1) surface features of different shape (spots and short lines) can be produced. They are characterized by a fine-grained microstructure resulting from a rapid solidification and finely dispersed TiB2 particles. Finally, the paper proposes different applications for this structuring technique.
To save weight without affecting the functional properties of vehicles, heavy materials must be replaced with lighter alternatives.Modern lightweight concepts have therefore been developed, featuring multi-material designs that require the joining of dissimilar materials.One new possible approach for the joining of dissimilar metals is based on laser welding and melt displacement by contactless induced electromagnetic forces.
A transient simulation including the impact of the laser energy, the melting of the metal and the development of the weld pool was conducted to observe the evolution of the vapor capillary and the solidification of the melt in pulsed laser beam welding of AISI 304 steel. The phase field method was implemented to investigate the evolution and behavior of the liquid-gas interface during welding and to describe the condensed and vapor phases. The effects of phase transition, recoil pressure, thermo-capillary and natural convection, vaporization and temperature dependent material properties were taken into account. A Gaussian-like heat source under consideration of the Fresnel absorption model was used to model the energy input of the laser beam. The heat source model was extended by a newly developed empirical approach of describing multiple beam reflections in the keyhole. To validate this new model, the numerical results were compared to experimental data and good agreement regarding the size and shape of the weld pool was observed.
In order to reduce CO2 emissions, an increasing interest in lightweight construction exists in the automotive industry, especially the multi-material-design approach. The main construction materials here are steels and aluminium alloys. Due to their different physical material properties and limited mutual solubility, these two materials cannot be joined thermally without difficulty. This paper presents a new joining approach for dissimilar materials. It uses electromagnetic displacement of a laser-generated melt pool to produce overlap joints between 1 mm steel (1.0330) and 2 mm aluminium alloy (EN AW 5754). Contactless induced Lorentz forces are generated by an alternating current (AC) magnet system. The controlled displacement of the aluminium alloy melt into the hole of the overlying steel sheet is investigated through numerical and experimental studies. The numerical results are compared with cross sections and thermocouple measurements. For the first time, it is possible to achieve a reproducible controlled melt pool displacement on thin sheets to produce overlap joints between dissimilar materials.
Das bislang zur Vermeidung unzulässiger Wurzelüberhöhungen beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen bzw. austenitischem Stahl eingesetzte Verfahren der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnte innerhalb der vorliegenden Untersuchung erfolgreich zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von ferromagnetischen Stählen übertragen werden. Es wurden dabei Laserstrahlschweißversuche in PA-Position an bis zu 20 mm dickem Duplexstahl 1.4462 sowie Baustahl S235JR durchgeführt. Unter konstanten Schweißparametern wurden Durchschweißungen generiert. Dem hydrostatischen Druck wurde unter Verwendung der Technologie zur elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung durch Variation der Oszillationsfrequenz und der AC-Leistung des Magnetsystems entgegengewirkt.
Zunächst konzentrierten sich die Versuche auf den Duplexstahl 1.4462, welcher jeweils aus 50 % Ferrit und Austenit besteht. Hierbei konnte festgestellt werden, dass zur idealen Kompensation von 15 mm bei einer Frequenz von 1,7 kHz eine AC-Leistung von 1,6 kW erforderlich ist, die Schweißnähte aber bereits bei einer AC-Leistung von ca. 0,8 kW in die Bewertungsgruppe B der DIN EN ISO 13919-1:1996-09 eingeordent werden können. Zur idealen Kompensation des hydrostatischen Druckes bei 20 mm dickem Duplexstahl war eine um 20 % höhere AC-Leistung notwendig. Im Anschluss an die Versuche mit dem Duplexstahl wurden die Untersuchungen auf bis zu 20 mm dicke Proben aus Baustahl S235JR erweitert. Für 15 mm konnten die Schweißnähte bei einer Frequenz von 1,7 kHz ab einer AC-Leistung von 1,3 kW in die Bewertungsgruppe B eingeordnet werden. Zur idealen Kompensation von 20 mm dickem Baustahl war eine AC-Leistung von 1,6 kW bei einer Frequenz von 636 Hz nötig. Mit steigender AC-Leistung konnte in allen Versuchsreihen eine sukzessive Verringerung
der Wurzelüberhöhung demonstriert werden.
Die experimentellen Untersuchungen innerhalb dieses Berichtes zeigen die erfolgreiche Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laser-strahl(hybrid)schweißen von ferromagnetischen Stäh-len mit einer Werkstückdicke von bis zu 20 mm. Bis-lang wurde dieses System zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von Aluminiumlegierungen und austenitischen Stählen eingesetzt. Zunächst wur-den die Versuche an Duplexstählen vorgenommen, die jeweils zur Hälfte aus Austenit und Ferrit bestehen. Im Anschluss daran wurden die Versuche auf bis zu 20 mm dicke Werkstücke aus Baustahl erweitert. In-nerhalb der Versuchsreihen wurden die AC-Leistung sowie die Oszillationsfrequenz variiert. Für Werk-stückdicken von 15 mm war eine AC-Leistung von ca. 1 kW notwendig, um die Wurzelüberhöhung in die Bewertungsgruppe B der für laserstrahlgeschweißten Stähle gültigen DIN EN ISO 13919-1:1996-09 einord-nen zu können. Mit zunehmender AC-Leistung wird die Wurzelüberhöhung sukzessive reduziert. Nach erfolg-reicher Erweiterung auf ferromagnetische Werkstoffe wurde die Anwendung der Technologie für das Laser-strahlhybridschweißen demonstriert, indem praxisrele-vante Y-Nähte an 20 mm dicken Baustählen ohne Wurzelüberhöhung einlagig in Wannenlage geschweißt wurden. Trotz der Beeinflussung des Lichtbogens durch das oszillierende Magnetfeld sowie des zusätz-lich zum hydrostatischen Druck zu berücksichtigenden Lichtbogendruckes wurde eine ideale Kompensation auf der Wurzelseite erzielt.
Die Erweiterung des Anwendungsspektrums der elekt-romagnetischen Schmelzbadstütze auf ferromagneti-sche Werkstoffe sowie auf das Laserstrahlhybrid-schweißen eröffnet für zukünftige industrielle Anwen-dungen ein großes Potenzial. Das einlagige Schwei-ßen dickwandiger Bauteile mittels Hochleistungslasern wird in Kombination mit der elektromagnetischen Schmelzbadstütze attraktiver. In nachfolgenden Un-tersuchungen wird der Einsatz der elektromagneti-schen Schmelzbadstütze beim Laserstrahlhybrid-schweißen von Pipelinestählen angestrebt, v. a. im Hinblick auf die Spaltüberbrückbarkeit und der me-chanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen. Zudem ist beim Schweißen von Duplexstählen der Einsatz von Zusatzwerkstoffen zu berücksichtigen, um das Gleichgewicht zwischen austenitischer und ferritischer Phasen zu stabilisieren.
In order to reduce weight of vehicles, the interest in multi-material-design has been growing within the last few years. For vehicles the combination of steel and aluminium alloys offers the most promising compromise between weight, strength and formability. Thermal joining of these dissimilar materials is still a challenge to overcome. A possible approach is a new joining technology, whereby a combination of laser beam welding and contactless induced electromagnetic forces are used to displace the generated melt of one joining partner into a notch of the other. This paper presents the working principle and shows numerical analyses to improve the understanding of this joining process. The simulations help to calculate the thermal development of the joining partners, which is important for the formation of intermetallic phases. Furthermore, the calculation of the time required for a complete displacement is possible. The numerical results are validated by experimental results.
Small-scale variations in mineral chemistry, textures, and platinum group element (PGE) mineralization were investigated in the Lower and Middle Group chromitite layers LG6, LG6a, MG1, MG2, and MG2 II from vertical drill core profiles at the Thaba mine in the northwestern limb of the Bushveld Complex. We present detailed geochemical profiles of chromite composition and chromite crystal size distribution curves to shed light on the processes of chromite accumulation and textural modification as well as mineralization. Multiple samples within each layer were assayed for PGE concentrations, and the respective platinum group mineral association was determined by mineral liberation analysis (MLA).
There is strong evidence for postcumulus changes in the chromitites. The crystal size distribution curves suggest that the primary chromite texture was coarsened by a combination of adcumulus growth and textural equilibration, while compaction of the crystal mush played only a minor role. Mineral compositions were also modified by postcumulus processes, but because of the very high modal amount of chromite and its local preservation in orthopyroxene oikocrysts, that phase retained much primary information. Vertical variations of chromite composition within chromitite layers and from one layer to another do not support the idea of chromite accumulation from crystal-rich slurries or crystal settling from a large magma chamber. Instead, we favor a successive buildup of chromitite layers by repeated injections of relatively thin layers of chromite-saturated magmas, with in situ crystallization occurring at the crystal mush-magma interface. The adcumulus growth of chromite grains to form massive chromitite required addition of Cr to the layers, which we attribute to downward percolation from the overlying magma.
The PGE concentrations are elevated in all chromitite layers compared to adjacent silicate rocks and show a systematic increase upward from LG6 (avg 807 ppb Ir + Ru + Rh + Pt + Pd + Au) to MG2 II (avg 2,062 ppb).
There are also significant internal variations in all layers, with enrichments at hanging and/or footwalls. The enriched nature of chromitites in PGEs compared to host pyroxenites is a General feature, independent of the layer thickness. The MLA results distinguish two principal groups of PGE mineral associations: the LG6, LG6, and MG1 are dominated by the malanite series, laurite, and PGE sulfarsenides, while the MG2 and MG2 II layers are characterized by laurite and PGE sulfides as well as Pt-Fe-Sn and PGE-Sb-Bi-Pb alloys. Differences in the PGE associations are attributed to postcumulus alteration of the MG2 and MG2 II layer, while the chromitites below, particularly LG6 and LG6a, contain a more pristine association.