ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Сварка взрывом является эффективным методом получения неразъемных соединений разнородных материалов, в частности композиций алюминий-сталь. Традиционные методы сварки редко применяются для соединения таких пар из-за их склонности к образованию хрупких интерметаллидных фаз. Одним из основных параметров, определяющих качество сварного шва при сварке взрывом, является угол соударения γ. Цель работы: исследование влияния угла соударения на температурно-деформационные характеристики в зоне соединения при высокоскоростном соударении пластин алюминиевого сплава А5 и стали 12Х18Н10Т с использованием численного моделирования. Методы исследования. Для моделирования применялся метод гидродинамики сглаженных частиц, который был реализован в программном комплексе Ansys Autodyn 2020 R2. Во всех расчётах скорость точки контакта была одинаковой V_K = 2500 м/c, а угол соударения варьировался (9,5°, 12°, 14,5°). Для описания свойств материалов использовались уравнение состояния Ми – Грюнайзена и модель прочности Джонсона – Кука. Результаты и обсуждение. Установлено, что с увеличением угла соударения возрастают температура и степень пластической деформации, тогда как давление изменяется немонотонно, достигая наибольшего значения (8,87 ГПа) при γ = 12°. При γ = 12° формируется наиболее регулярная граница раздела, а при γ = 14,5° наблюдается формирование несимметричной волнообразной границы с внедрением стали в алюминий. Все исследованные режимы обеспечивают локальное плавление алюминия при сохранении стали в твердом состоянии. Наиболее предпочтительным из исследованных углов соударения, обеспечивающим благоприятное сочетание давления, температуры и морфологии границы раздела в системе А5 / 12Х18Н10Т при скорости 2500 м/с, является 12°.

1. Кузьмин В.И., Лысак В.И., Тупицин М.А. Исследование закономерностей образования соединения при сварке взрывом толстолистовых сталеалюминиевых композитов // Физика и химия обработки материалов. – 2013. – № 3. – С. 64–69.

2. Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. – Новосибирск: Наука, 1980. – 224 с.

3. Comparison of Cu, Ti and Ta interlayer explosively fabricated aluminum to stainless steel transition joints for cryogenic pressurized hydrogen storage / S.M. Aceves, F. Espinosa-Loza, J.W. Elmer, R. Huber // International Journal of Hydrogen Energy. – 2015. – Vol. 40 (3). – P. 1490–1503. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.11.038.

4. ASM handbook. Vol. 6A. Welding fundamentals and processes / ed. by T. Lienert, T. Siewert, S. Babu, V. Acoff. – ASM International, 2011. – 912 p. – ISBN 978-1-61503-001-9.

5. Chadwick M.D., Jackson P.W. Explosive welding in planar geometries // Explosive Welding, Forming and Compaction. – Dordrecht: Springer Netherlands, 1983. – P. 219–287.

6. Findik F. Recent developments in explosive welding // Materials & Design. – 2011. – Vol. 32 (3). – P. 1081–1093. – DOI: 10.1016/j.matdes.2010.10.017.

7. Zlobin B.S. Explosion welding of steel with aluminum // Combustion, Explosion, and Shock Waves. – 2002. – Vol. 38. – P. 374–377. – DOI: 10.1023/A:1015674407898.

8. Interfacial investigation of explosion-welded Al/Steel plate: the microstructure, mechanical properties and residual stresses / Q. Chu, T. Xia, P. Zhao, M. Zhang, J. Zheng, F. Yan, P. Cheng, C. Yan, C. Liu, H. Luo // Materials Science and Engineering: A. – 2022. – Vol. 833. – Art. 142525. – DOI: 10.1016/j.msea.2021.142525.

9. Hokamoto K., Izuma T., Fujita M. New explosive welding technique to weld aluminum alloy and stainless steel plates using a stainless steel intermediate plate // Metallurgical Transactions A. – 1993. – Vol. 24. – P. 2289–2297. – DOI: 10.1007/BF02648602.

10. Li X., Ma H., Shen Z. Research on explosive welding of aluminum alloy to steel with dovetail grooves // Materials and Design. – 2015. – Vol. 87. – P. 815–824. – DOI: 10.1016/j.matdes.2015.08.085.

11. Исследование термостойкости композиционного сталеалюминиевого материала и пути ее повышения / В.И. Кузьмин, В.И. Лысак, О.В. Строков, В.В. Литвинов // Перспективные материалы. – 2007. – № 5. – С. 78–81.

12. Исследование влияния режимов сварки взрывом и термической обработки на структуру и свойства биметалла АД1-сталь Ст3 / Л.М. Гуревич, Д.В. Проничев, А.Ф. Трудов, Ю.П. Трыков, М.Д. Трунов // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2014. – № 9. – С. 17–21.

13. Investigating the effect of post weld heat treatment on corrosion properties of explosive bonded interface of AA5083/AA1050/SS 321 tubes / S.F. Shargh, A. Saadat, A. Najafi, M.-R.K. Gharehshiran, G. Khalaj // Mater. Res. Express. – 2020. – Vol. 7. – P. 036529. – DOI: 10.1088/2053-1591/ab8095.

14. Design of explosively welded Fe–Al multilayer laminated composite pipes: a critical microscopy analysis of stand-off distance and post-weld heat treatment effects on interface properties / M.R. Jandaghi, H. Pouraliakbar, J. Moverare, V. Fallah, G. Khalaj // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 33. – P. 2645–2660. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.10.003.

15. Effects of heat treatments on mechanical properties of fe/al explosion-welded structural transition joints / L. Tricarico, R. Spina, D. Sorgente, M. Brandizzi // Materials and Design. – 2009. – Vol. 30. – P. 2693–2700. – DOI: 10.1016/j.matdes.2008.10.010.

16. Explosive welding of aluminum to aluminum: analysis, computations and experiments / F. Grignon, D. Benson, K.S. Vecchio, M.A. Meyers // International Journal of Impact Engineering. – 2004. – Vol. 30 (10). – P. 1333–1351. – DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2003.09.049.

17. Atomistic simulation into Cu–Al explosive welding joint formation mechanisms and deformation characteristics / V.-T. Nguyen, T.T.V. Nhu, X.-T. Vo, H. Van Huong // Physica B: Condensed Matter. – 2025. – Vol. 705. – Art. 417084. – DOI: 10.1016/j.physb.2025.417084.

18. Измерение температуры кумулятивной струи из конической облицовки / В.В. Пай, В.М. Титов, Я.Л. Лукьянов, К.М. Зубашевский // Физика горения и взрыва. – 2020. – Т. 56, № 3. – С. 123–126. – DOI: 10.15372/FGV20200313.

19. Towards better understanding of explosive welding by combination of numerical simulation and experimental study / I.A. Bataev, S. Tanaka, Q. Zhou, D.V. Lazurenko, A.M.J. Junior, A.A. Bataev, K. Hokamoto, A. Mori, P. Chen // Materials and Design. – 2019. – Vol. 169. – Art. 107649. – DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107649.

20. Батаев И.А. Формирование структуры сваренных взрывом материалов: экспериментальные исследования и численное моделирование // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – Т. 19, № 4. – С. 55–67. – DOI: 10.17212/1994-6309-2017-4-55-67.

21. О модели волнообразования при косом, симметричном соударении алюминиевых пластин / С.П. Киселев, В.П. Киселев, Н.П. Киселев, В.Н. Зайковский // Физика горения и взрыва. – 2025. – DOI: 10.15372/FGV2025.9600.

22. Bataev I., Mori A., Hokamoto K. Behavior of materials under extremely high-velocity oblique impact // Explosion, Shock-wave and High-strain-rate Phenomena of Advanced Materials. – Elsevier, 2021. – P. 71–92. – DOI: 10.1016/B978-0-12-821665-1.00006-7.

23. Tanaka K. Numerical studies on the explosive welding by smoothed particle hydrodynamics (SPH) // Shock Compression of Condensed Matter – 2007: Proceedings of the American Physical Society Topical Conference. – AIP, 2008. – P. 1301–1304. – (AIP Conference Proceedings; vol. 955). – DOI: 10.1063/1.2832962.

24. Comparison of explosive welding of pure titanium/SUS 304 austenitic stainless steel and pure titanium/SUS 821L1 duplex stainless steel / X. Chen, D. Inao, S. Tanaka, X. Li, I.A. Bataev, K. Hokamoto // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2021. – Vol. 31 (9). – P. 2687–2702. – DOI: 10.1016/S1003-6326(21)65685-6.

25. Numerical study of the mechanism of explosive/impact welding using Smoothed Particle Hydrodynamics method / X. Wang, Y. Zheng, H. Liu, Z. Shen, Y. Hu, W. Li, Y. Gao, C. Guo // Materials and Design. – 2012. – Vol. 35. – P. 210–219. – DOI: 10.1016/j.matdes.2011.09.047.

26. Crossland B. Explosive welding of metals and its application. – Oxford: Clarendon Press, 1982. – 256 p. – ISBN 0-19-859119-5.

27. Experimental and numerical investigation of microstructure and evolution of TiNi alloy/Q235 steel interfaces prepared by explosive welding / M. Yang, D. Chen, H. Zhou, J. Xu, H. Ma, Z. Shen, B. Zhang, J. Tian // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 15. – P. 5803–5813. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.11.044.

28. Investigations on the microstructure evolution and mechanical properties of explosive welded ODS-Cu/316L stainless steel composite / B. Zhang, H. Ma, J. Xu, L. Li, Z. Shen, L. Ding, J. Tian // Fusion Engineering and Design. – 2022. – Vol. 179. – Art. 113142. – DOI: 10.1016/j.fusengdes.2022.113142.

29. Numerical and experimental studies of the interface characteristics and wave formation mechanism of Hastelloy/stainless steel explosive welding composite plate / Y. Ma, T. Wang, G. Wang, X. Fang, C. Chu // Materials Today Communications. – 2023. – Vol. 36. – Art. 106880. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.106880.

30. Experimental and numerical approach to titanium-aluminum explosive welding / X. Wu, C. Shi, K. Feng, L. Gao, W. Li, K. Qian // Materials Research Express. – 2021. – Vol. 8. – Art. 096503. – DOI: 10.1088/2053-1591/ac2017.

31. Campanella D., Buffa G., Fratini L. A two steps Lagrangian–Eulerian numerical model for the simulation of explosive welding of three dissimilar materials joints // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2021. – Vol. 35. – P. 541–549. – DOI: 10.1016/j.cirpj.2021.08.010.

32. Неоднородность пластического течения, сопутствующая процессам высокоскоростного нагружения металлических материалов / П.А. Рябинкина, Ю.Ю. Эмурлаева, И.А. Батаев, С. Танака // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2021. – № 12. – С. 41–47. – DOI: 10.30906/mitom.2021.12.41-47.

33. Hokamoto K., Ujimoto Y., Fujita M. Basic characteristics of the explosive welding technique using underwater shock wave and its possibilities // Materials Transactions. – 2004. – Vol. 45 (9). – P. 2897–2901. – DOI: 10.2320/matertrans.45.2897.

34. Akbari Mousavi A.A., Al-hassani S. Numerical and experimental studies of the mechanism of the wavy interface formations in explosive/impact welding // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 2005. – Vol. 53. – P. 2501–2528. – DOI: 10.1016/j.jmps.2005.06.001.

35. Study on parameters and wave growth mechanism of explosive welding based on SPH-FEM[J] / X. Wu, Ch. Shi, L. Gao, W. Li, K. Feng // Rare Metal Materials and Engineering. – 2023. – Vol. 52 (4). – P. 1272–1282.

36. Оптимизация параметров сварки взрывом и структурные особенности композитов сталь – толстолистовой алюминий / Ю.П. Бесшапошников, Б.А. Гринберг, М.С. Пушкин, А.В. Иноземцев, А.М. Пацелов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2022. – Т. 19, № 3. – С. 362–375. – DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2022.03.009.

37. Formation of intermetallic structures at the interface of steel-to-aluminium explosive welds / G.H.S.F.L. Carvalho, I. Galvão, R. Mendes, R.M. Leal, A. Loureiro // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 142. – P. 432–442. – DOI: 10.1016/j.matchar.2018.06.005.

38. Investigation of crack control mechanisms for intermetallic compounds at the interface of aluminum/steel during explosive welding / J. Wang, X. Li, H. Yan, X. Wang, J. Wang // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2025. – Vol. 78. – Art. 121. – DOI: 10.1007/s12666-025-03582-2.

39. Experimental and numerical analysis of the formation behavior of intermediate layers at explosive welded Al/Fe joint interfaces / Y. Aizawa, J. Nishiwaki, Y. Harada, S. Muraishi, S. Kumai // Journal of Manufacturing Processes. – 2016. – Vol. 24. – P. 100–106. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2016.08.002.

40. A wavy versus straight interface in the explosive welding of aluminum to steel / A. Szecket, O.T. Inal, D.J. Vigueras, J. Rocco // Journal of Vacuum Science and Technology A. – 1985. – Vol. 3 (6). – P. 2588–2593. – DOI: 10.1116/1.572839.

41. Особенности пластической деформации металла околошовной зоны при сварке взрывом разнородных материалов / С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, В.В. Рыбин, А.П. Пеев // Известия ВолгГТУ. – 2010. – Т. 5, № 65. – С. 4–11.

42. Atomic diffusion behavior in cu-al explosive welding process / S.Y. Chen, Z.W. Wu, K.X. Liu, X.J. Li, N. Luo, G.X. Lu // Journal of Applied Physics. – 2013. – Vol. 113. – DOI: 10.1063/1.4775788.

43. Multi-scale simulation and microstructure characteristics of TC4 ELI/Al 6013 plates by explosive welding / J. Zhou, N. Luo, H. Liang, W. Sun // Journal of Manufacturing Processes. – 2024. – Vol. 124. – P. 1180–1192. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.07.014.