Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет42445110.17212/1994-6309-2026-28.2-335-350MATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleAnalysis of temperature–strain processes during explosive welding of the 1050A / 321 composite using numerical simulationАнализ температурно-деформационных процессов при сварке взрывом композиции А5 / 12Х18Н10Т с использованием численного моделированияhttps://orcid.org/0000-0002-0305-751856070653000L-6896-20167714-4825MalyutinaYulia N.МалютинаЮлия Николаевна
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

iuliiamaliutina@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-0081-283X56905353300A-3903-20146098-7233ОгневаТатьяна СергеевнаOgnevaTatyana S.
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

pandorra.06@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2871-026924723460800I-5098-20134135-7010БатаевИван АнатольевичBataevIvan A.
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), профессор

доктор техн. наук, профессор

ivanbataev@ngs.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7119-494456433383400A-3830-20145352-2998ЛожкинаЕ. А.LozhkinaE. A.
Russian Federation

канд. техн. наук, доцент

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

lozhkinaelena1987@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0009-3819-84317101768233J-6303-20188753-0199ПайВладимир ВасильевичPaiVladimir V.
Russian Federation

доктор физ.-мат. наук

D.Sc. (Physics and Mathematics)

pai@hydro.nsc.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4526-93991478-0108ЛукьяновЯрослав ЛьвовичLukyanovYaroslav L.
Russian Federation

научный сотрудник

Scientific associate

Lukyanov@hydro.nsc.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1037-518656764536200AAL-1723-20208731-6799KuzminEvgeny V.КузьминЕвгений Владимирович
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

e.v.kuzmin@yandex.ruNovosibirsk State Technical UniversityНовосибирский государственный технический университетLavrentyev Institute of Hydrodynamics SB RASИнститут гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАННовосибирский государственный технический университетNovosibirsk State Technical UniversityВолгоградский государственный технический университетVolgograd State Technical Universityruen282ТОМ 28, №2 (2026)VOL 28, NO2 (2026)33535002062026Copyright ©; 2026, Малютина Ю.Н., Огнева Т.С., Батаев И.А., Ложкина Е.А., Пай В.В., Лукьянов Я.Л., Кузьмин Е.В.Copyright ©; 2026, Malyutina Y.N., Ogneva T.S., Bataev I.A., Lozhkina E.A., Pai V.V., Lukyanov Y.L., Kuzmin E.V.2026Малютина Ю.Н., Огнева Т.С., Батаев И.А., Ложкина Е.А., Пай В.В., Лукьянов Я.Л., Кузьмин Е.В.Malyutina Y.N., Ogneva T.S., Bataev I.A., Lozhkina E.A., Pai V.V., Lukyanov Y.L., Kuzmin E.V.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/424451

Introduction. Traditional welding methods are rarely used to join such material pairs due to their tendency to form brittle intermetallic compounds. One of the main parameters determining the quality of the weld is the impact angle γ. The aim of the work is to study the influence of the impact angle on the temperature-strain characteristics in the joint zone during high-velocity impact of aluminum 1050A and steel 321 plates using numerical simulation. Research methods. The smoothed particle hydrodynamics (SPH) method implemented in Ansys Autodyn 2020 R2 software was used for the simulations. In all calculations, the contact point velocity was constant at Vc = 2,500 m/s, and the impact angle varied (9.5°, 12°, 14.5°). The Mie–Grüneisen equation of state and the Johnson–Cook constitutive model were used to describe the properties of the materials. Results and discussion. It was found that an increase in the impact angle leads to higher pressure, temperature, and plastic strain. Specifically, temperature and plastic strain increase monotonically with γ, whereas pressure varies non-monotonically, reaching a peak of 8.87 GPa at γ = 12°. At γ = 12°, the most uniform interface is formed, and at γ = 14.5°, an asymmetrical interface with the penetration of steel into aluminum is observed. All studied impact conditions result in local melting of aluminum while keeping the steel solid. The most favorable of the investigated impact angles, which provides a beneficial combination of pressure, temperature, and interface morphology for the 1050A/321 system at a speed of 2,500 m/s, is 12°.

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 VK = 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°.

Сварка взрывомМетод SPHАлюминийНержавеющая стальУгол соударенияExplosive weldingSPH methodAluminumStainless steelImpact angleФинансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-23-01117, https://rscf.ru/project/25-23-01117/. Благодарности Исследования проведены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (НГТУ).Funding This research was supported by grant No. 25-23-01117 from the Russian Science Foundation, https://rscf.ru/project/25-23-01117/. Acknowledgements The research was conducted using equipment at the Center for Collective Use "Structure, Mechanical, and Physical Properties of Materials" (NSTU).

Funding

This research was supported by grant No. 25-23-01117 from the Russian Science Foundation, https://rscf.ru/project/25-23-01117/.

Acknowledgements

The research was conducted using equipment at the Center for Collective Use "Structure, Mechanical, and Physical Properties of Materials" (NSTU).

Финансирование

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-23-01117, https://rscf.ru/project/25-23-01117/.

Благодарности

Исследования проведены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (НГТУ).

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.Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. – Новосибирск: Наука, 1980. – 224 с.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.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.Chadwick M.D., Jackson P.W. Explosive welding in planar geometries // Explosive Welding, Forming and Compaction. – Dordrecht: Springer Netherlands, 1983. – P. 219–287.Findik F. Recent developments in explosive welding // Materials & Design. – 2011. – Vol. 32 (3). – P. 1081–1093. – DOI: 10.1016/j.matdes.2010.10.017.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.Crossland B. Explosive welding of metals and its application. – Oxford: Clarendon Press, 1982. – 256 p. – ISBN 0-19-859119-5.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.