一种大尺寸铝-钢反应辅热增韧摩擦焊接方法

摘要

本发明提供一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，包括对铝构件（20）和钢构件（10）的焊接接头进行双向嵌合结构设计以及在焊接接头处设置焊接辅助层；双向嵌合结构设计具体为：对钢构件（10）的待焊接面由中心轴向外依次加工出环形的钢内凹槽（11）、环形的钢凸台（12）以及环形的钢外凹槽（13），对铝构件的待焊接面加工出环形的铝凹槽（21）；焊接辅助层包括反应过渡层（51）、增强增韧层（52）及反应辅热层（53）。该方法有效解决钢构件与铝构件焊接过程中易生成大量脆性金属间化合物，焊后接头应力大，焊接接头强度低、韧性差等问题，实现大尺寸的铝、钢构件之间的摩擦焊接，焊接效率高、焊接质量好。

权利要求

1.一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：包括对铝构件（20）和钢构件（10）的焊接接头进行双向嵌合结构设计以及在焊接接头处设置焊接辅助层；

所述对铝构件（20）和钢构件（10）的焊接接头进行双向嵌合结构设计具体为：针对钢构件（10）的待焊接面由中心轴向外依次加工出环形的钢内凹槽（11）、环形的钢凸台（12）以及环形的钢外凹槽（13），所述钢内凹槽（11）与钢外凹槽（13）紧贴所述钢凸台（12）且所述钢内凹槽（11）、钢凸台（12）、钢外凹槽（13）与所述钢构件（10）同轴心；针对铝构件（20）的待焊接面加工出环形的铝凹槽（21），所述铝凹槽（21）与所述钢凸台（12）对应且所述铝凹槽（21）与所述铝构件（20）同轴心；所述钢内凹槽（11）的槽宽小于所述钢外凹槽（13）槽宽，且所述钢凸台（12）端面设置第一倒角（120）、所述铝凹槽（21）槽口设置第二倒角（210），所述钢内凹槽（11）槽口远离所述钢凸台（12）的内圈设置第三倒角（110），所述钢外凹槽（13）槽口远离所述钢凸台（12）的外圈设置第四倒角（130）；

所述在焊接接头处设置焊接辅助层具体为：所述焊接辅助层设置在待焊端面且焊接辅助层包括反应过渡层（51）、增强增韧层（52）以及反应辅热层（53）；所述反应过渡层（51）为混合粉末层、其均匀铺设在所述钢内凹槽（11）、钢外凹槽（13）与铝凹槽（21）槽底，反应过渡层（51）由Al粉、Ni粉、ZnCl2粉与NH4Cl粉均匀混合而成；所述增强增韧层（52）为由Al、Si、Mg、Zn与Re粉末均匀混合后经重熔、热处理、挤压成型制成的环形件且紧贴反应过渡层（51）远离槽底的一侧端面，所述增强增韧层（52）通过压嵌嵌入所述钢内凹槽（11）、钢外凹槽（13）以及铝凹槽（21）内；所述反应辅热层（53）为涂层结构，其通过冷喷涂均匀喷涂在铝构件（20）与钢构件（10）的待焊接端面，反应辅热层（53）由Al粉与CuO粉均匀混合而成。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：所述钢凸台（12）的高度为20～24mm，厚度为28～32mm；所述铝凹槽（21）的深度为18～22mm，槽宽为28～32mm；且所述钢凸台（12）的高度大于铝凹槽（21）的深度、钢凸台（12）的厚度与铝凹槽（21）的槽宽一致。

3.根据权利要求1或2所述的一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：所述钢外凹槽（13）槽宽比所述钢内凹槽（11）槽宽大10%～20%，且所述钢外凹槽（13）槽宽为13～17mm；所述钢外凹槽（13）槽深、钢内凹槽（11）槽深与所述铝凹槽（21）槽深一致。

4.根据权利要求3所述的一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：所述第一倒角（120）角度为40～50°，所述第二倒角（210）角度比所述第一倒角（120）角度小

10～15°，且所述第一倒角（120）的高度为铝凹槽（21）深度的1/2，第二倒角（210）的高度为铝凹槽（21）深度的1/2；所述第三倒角（110）与第四倒角（130）的角度均为45°且所述第三倒角（110）高度为钢内凹槽（11）深度的1/2、第四倒角（130）高度为钢外凹槽（13）深度的1/2。

5.根据权利要求4所述的一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：所述反应过渡层（51）的厚度为铝凹槽（21）槽深的1/20～1/10。

6.根据权利要求5所述的一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：所述增强增韧层（52）的厚度与反应过渡层（51）厚度之和不大于铝凹槽（21）的深度，且所述铝凹槽（21）深度与两层厚度和的差值不大于0.2mm。

7.根据权利要求1所述的一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：所述反应辅热层（53）的厚度为0.2～1mm。

8.根据权利要求1所述的一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：所述反应辅热增韧摩擦焊接方法还包括焊件夹持工装设计、焊前处理、焊件装夹、摩擦焊接以及焊后处理。

说明书

一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及固相焊技术领域，具体涉及一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法。

背景技术

[0002] 惯性摩擦焊指的是在两个焊件的焊接端面上施加一定的轴向压力，同时使两个焊件接触面作剧烈的摩擦运动，摩擦产生的热，把接触面加热到一定的焊接温度(低于材料的
熔点)时急速停止运动，并施以一定的顶锻压力，使两个焊件金属产生一定量的塑性变形，
从而将两个焊件牢固地焊接在一起。

[0003] 钢和铝固溶度低，且摩擦焊接时焊缝生成大量脆性的金属间化合物(如FeAl6、FeAl3等)，会导致焊缝性能差(如强度、韧性低等)，且钢和铝热膨胀系数差异大，焊接后应
力大。上述问题制约着钢/铝焊接构件的应用；此外，惯性摩擦焊技术主要依靠大尺寸的飞
轮高速旋转的动能来实现焊接，对于大尺寸的铝/钢管类或棒类构件焊接，其需要极大的飞
轮，需要配备价格昂贵、占地面积大、功率大、顶锻力大的焊机，其对设备要求极高，此类设
备市面少有。基于此，为提高钢和铝焊接接头强度及韧性，提高焊机的焊接能力，实现“小焊
机焊大工件”，特发明了大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法。

发明内容

[0004] 针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，该方法有效解决钢构件与铝构件焊接过程中易生成大量脆性金属间
化合物，焊后接头应力大，焊接接头强度低、韧性差等问题，提高焊接能力，利用小焊机实现
大尺寸的铝/钢构件之间的摩擦焊接，焊接效率高、焊接质量好。

[0005] 本发明的目的通过以下技术方案实现：

[0006] 一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：包括对铝构件和钢构件的焊接接头进行双向嵌合结构设计以及在焊接接头处设置焊接辅助层；

[0007] 所述对铝构件(棒类或管类构件)和钢构件(棒类或管类构件) 的焊接接头进行双向嵌合结构设计具体为：针对钢构件的待焊接面由中心轴向外依次加工出环形的钢内凹
槽、环形的钢凸台以及环形的钢外凹槽，所述钢内凹槽与钢外凹槽紧贴所述钢凸台且所述
钢内凹槽、钢凸台、钢外凹槽与所述钢构件同轴心；针对铝构件的待焊接面加工出环形的铝
凹槽，所述铝凹槽与所述钢凸台对应且所述铝凹槽与所述铝构件同轴心；所述钢内凹槽的
槽宽小于所述钢外凹槽槽宽，且所述钢凸台端面设置第一倒角、所述铝凹槽槽口设置第二
倒角，所述钢内凹槽槽口远离所述钢凸台的内圈设置第三倒角，所述钢外凹槽槽口远离所
述钢凸台的外圈设置第四倒角；

[0008] 所述在焊接接头处设置焊接辅助层具体为：所述焊接辅助层设置在待焊端面且焊接辅助层包括反应过渡层、增强增韧层以及反应辅热层；所述反应过渡层为混合粉末层，其
均匀铺设在所述钢内凹槽、钢外凹槽与铝凹槽槽底，反应过渡层由Al粉、Ni粉、ZnCl2粉与
NH4Cl 粉均匀混合而成；所述增强增韧层为由Al、Si、Mg、Zn与Re粉末均匀混合后经重熔、热
处理、挤压成型制成的环形件且紧贴反应过渡层远离槽底的一侧端面，所述增强增韧层通
过压嵌嵌入所述钢内凹槽、钢外凹槽以及铝凹槽内；所述反应辅热层为涂层结构，其通过冷
喷涂均匀喷涂在铝构件与钢构件的待焊接端面(即钢凸台端面、增强增韧层远离反应过渡
层一侧的端面以及其它待焊接端面)，反应辅热层由Al粉与CuO粉均匀混合而成。

[0009] 作进一步优化，所述钢凸台的高度为20～24mm，厚度(平直部分)为28～32mm；所述铝凹槽的深度为18～22mm，槽宽为28～ 32mm；且所述钢凸台的高度大于铝凹槽的深度、钢
凸台的厚度与铝凹槽的槽宽一致。

[0010] 作进一步优化，所述钢外凹槽槽宽比所述钢内凹槽槽宽大10％～ 20％，且所述钢外凹槽槽宽为13～17mm；所述钢外凹槽槽深、钢内凹槽槽深与所述铝凹槽槽深一致。

[0011] 作进一步优化，所述第一倒角角度为40～50°，所述第二倒角角度比所述第一倒角角度小10～15°，且所述第一倒角的高度为铝凹槽深度的1/2，第二倒角的高度为铝凹槽深
度的1/2；所述第三倒角与第四倒角的角度均为45°且所述第三倒角高度为钢内凹槽深度的 
1/2、第四倒角高度为钢外凹槽深度的1/2。

[0012] 作进一步优化，所述钢内凹槽倒角边缘距钢构件内表面(若为棒材的，则为轴心)的距离、钢外凹槽倒角边缘距钢构件外表面的距离相等，且钢内凹槽倒角边缘距钢构件内
表面(若为棒材的，则为轴心) 的距离不小于10mm。

[0013] 优选的，所述钢内凹槽(含第三倒角投影面积)、钢外凹槽(含第四倒角投影面积)以及钢凸台(含第一倒角投影面积)的截面面积不超过钢构件焊接截面面积的70％。

[0014] 本申请通过在钢构件待焊接面依次设置钢内凹槽、钢凸台与钢外凹槽，及在铝构件待焊接面设置铝凹槽，保证焊接后钢构件与铝构件之间均存在部分相互嵌入(即钢构件
部分嵌入铝构件、铝构件部分嵌入钢构件)，确保焊接界面(即焊缝处)存在足够的弯曲程
度、形成明显的“W”形焊接界面(即焊缝)，增加焊后双向嵌合机械补强的效果，保证焊接接
头的强度以及焊接质量。同时，通过对钢内凹槽与钢外凹槽槽宽的限定，避免摩擦焊接过程
中由于管件外侧线速度大于内侧而导致摩擦产热不均匀、造成焊接接头质量不均匀的问
题；并且，通过倒角(即第一倒角、第二倒角、第三倒角与第四倒角)的设置，一是保证钢凸台
与铝凹槽之间，铝构件焊接面与钢内凹槽、钢外凹槽之间顺利的嵌入；二是实现焊接开始时
焊接面积的逐渐增加，确保焊接接头成型、保证焊接质量，避免焊接过程中工件边缘或钢凸
台形成尖角、焊接时出现错接或崩落的现象。

[0015] 作进一步优化，所述反应过渡层的厚度为铝凹槽槽深的1/20～ 1/10。

[0016] 作进一步优化，所述Al粉、Ni粉、ZnCl2粉与NH4Cl粉的质量比为2.5～3.5：5～6.5：1～1.5：1～1.5。

[0017] 作进一步优化，所述增强增韧层的厚度与反应过渡层厚度之和不大于铝凹槽的深度，且所述铝凹槽深度与两层厚度和(即增强增韧层厚度与反应过渡层厚度的和)的差值不
大于0.2mm。

[0018] 作进一步优化，所述由Al、Si、Mg、Zn与Re粉末的质量百分含量具体为：Si：8％～15％、Mg：2％～8％、Zn：4％～8％、Re：0.2％～ 0.7％、其余为Al。

[0019] 优选的，所述增强增韧层的硬度为待焊铝构件硬度的1/2～3/5。

[0020] 作进一步优化，所述反应辅热层的厚度为0.2～1mm。

[0021] 作进一步优化，所述Al粉与CuO的质量比为2～3：7.5～8.5。

[0022] 本申请通过反应辅热层的设置，使得待焊接面摩擦反应后剧烈产热，增加界面金属高温塑化能力，保证焊接端面产生足够的热量，极大促进钢构件与铝构件端面及近端面
材料的软化，保证大尺寸构件形成足够的烧蚀量，进而促进接头形成。通过增强增韧层的设
置：一是改变金属间化合物的种类，降低脆性金属间化合的生长敏感性、减少脆性金属间化
合物的生长数量，从而降低焊接接头的脆性；二是在焊接过程中形成低熔点相、及一层厚度
适宜的焊缝过渡层，有效降低焊接接头的应力；三是焊接过程中通过金属粉末的添加来细
化焊接接头的晶粒，从而避免焊接接头晶粒粗大，在不降低韧性的情况下，还可进一步提高
强度。

[0023] 通过反应过渡层的设置，形成连续固溶体，减少焊接接头中硬脆金属间化合物的形成数量，改变金属间化合物的种类、分布等，最终达到降低脆性和接头界面应力的目的。
同时，反应过渡层在焊接过程中通过共晶相改善焊接界面。并且，因为增强增韧层环形件紧
密嵌入槽内，反应过渡层粉末被有效封闭，后续冷喷涂不能逸出。

[0024] 作进一步优化，所述反应辅热增韧摩擦焊接方法还包括焊件夹持工装设计、焊前处理、焊件装夹、摩擦焊接以及焊后处理。

[0025] 本发明具有如下技术效果：

[0026] 本申请通过在钢构件待焊接面依次设置钢内凹槽、钢凸台与钢外凹槽，及在铝构件待焊接面设置铝凹槽，实现焊接接头的多个关键结构尺寸的控制，确保焊接界面(即焊缝
处)存在足够的弯曲程度、形成明显的“W”形焊接界面(即焊缝)，从而实现钢构件与铝构件
之间的双向嵌合机械补强；同时，通过焊接辅助层的设置，即反应过渡层、增强增韧层与反
应辅热层的设置，有效提高焊机的焊接能力，细化焊接界面的晶粒、改善焊接界面，减少脆
性金属间化合物的生长，提高焊接接头韧性、降低焊接接头应力，从而改善焊接成型、提高
焊接质量及焊接强度，提升焊接效率、降低产品不合格率，减少焊接材料的浪费，有效节省
焊接成本。

[0027] 采用本申请摩擦焊接方法进行铝和钢之间的焊接，焊接能力提高 25％以上，焊接接头应力降低60％以上。对焊后接头进行轴向拉伸，轴向抗拉强度较常规惯性摩擦焊接接
头提高25％以上；轴向断后伸长率较常规惯性摩擦焊接接头提高20％以上；对焊后接头进
行径向剪切，剪切强度较常规惯性摩擦焊接接头提高35％以上。

附图说明

[0028] 图1为本发明实施例中反应辅热增韧摩擦焊接的焊接接头立体结构示意图

[0029] 图2为本发明实施例中反应辅热增韧摩擦焊接的焊接接头剖示图。

[0030] 图3为图2的局部放大图。

[0031] 图4为本发明实施例中反应辅热增韧摩擦焊接的焊接辅助层的结构示意图。

[0032] 图5为本发明实施例中焊后焊接接头的结构示意图。

[0033] 其中，10、钢构件；11、钢内凹槽；110、第三倒角；12、钢凸台；120、第一倒角；13、钢外凹槽；130、第四倒角；20、铝构件； 21、铝凹槽；210、第二倒角；101、钢构件嵌入铝构件部
分；102、铝构件嵌入钢构件部份；30、焊缝；40、焊接飞边；51、反应过渡层； 52、增强增韧层；
53、反应辅热层。

具体实施方式

[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 实施例1：

[0036] 一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：包括对铝构件20和钢构件10的焊接接头进行双向嵌合结构设计以及在焊接接头处设置焊接辅助层；铝构件20与
钢构件10均采用管件结构进行焊接，且铝构件20与钢构件10的直径与厚度一致，且钢构件 
10的直径为450mm，壁厚为120mm。

[0037] 对铝构件20和钢构件10的焊接接头进行双向嵌合结构设计具体为：针对钢构件10的待焊接面由中心轴向外依次加工出环形的钢内凹槽11、环形的钢凸台12以及环形的钢外
凹槽13，钢内凹槽11与钢外凹槽13紧贴钢凸台12且钢内凹槽11、钢凸台12、钢外凹槽13 与
钢构件10同轴心；针对铝构件20的待焊接面加工出环形的铝凹槽 21，铝凹槽21与钢凸台12
对应且铝凹槽21与铝构件20同轴心；钢内凹槽11的槽宽小于钢外凹槽13槽宽，且钢凸台12
端面设置第一倒角120、铝凹槽槽口设置第二倒角210，钢内凹槽11槽口远离钢凸台12的内
圈设置第三倒角110，钢外凹槽13槽口远离钢凸台12的外圈设置第四倒角130；

[0038] 钢凸台12的高度f为20mm，厚度a(平直部分)为28mm；铝凹槽21的深度g为18mm，槽宽d为28mm。

[0039] 钢外凹槽13槽宽c比钢内凹槽11槽宽b长10％～20％(即 )，且钢外凹槽13槽宽c为13mm、则b为11mm；钢外凹槽13槽深e、钢内凹槽11槽深e与铝凹槽21深度
g一致(即 e＝g＝18mm)。

[0040] 第一倒角120角度h为40°，第二倒角210角度k比第一倒角 120角度h小10°(即k＝h‑10°＝30°)，且第一倒角120的高度p 为铝凹槽21深度g的1/2，第二倒角210的高度q为铝
凹槽21深度 g的1/2， 第三倒角110与第四倒角130的角度均为 45°(即l与
m均为45°)且第三倒角110高度o为钢内凹槽11深度e的1/2、第四倒角130高度o为钢外凹槽
13深度e的1/2，均为 9mm。

[0041] 钢内凹槽11倒角边缘距钢构件10内表面(若为棒材的，则为轴心)的距离、钢外凹槽13倒角边缘距钢构件10外表面的距离相等，且钢内凹槽11倒角边缘距钢构件10内表面
(若为棒材的，则为轴心) 的距离不小于10mm。钢内凹槽11(含第三倒角110投影面积)、钢外
凹槽13(含第四倒角130投影面积)以及钢凸台12(含第一倒角 120投影面积)的截面面积不
超过钢构件10焊接截面面积的70％。

[0042] 在焊接接头处设置焊接辅助层具体为：焊接辅助层设置在待焊端面且焊接辅助层包括反应过渡层51、增强增韧层52以及反应辅热层 53；

[0043] 反应过渡层51为混合粉末层、其均匀铺设在钢内凹槽11、钢外凹槽13与铝凹槽21槽底，反应过渡层51由Al粉、Ni粉、ZnCl2粉与NH4Cl粉按质量比2.5：5：1：1均匀混合而成(需
要说明的是：由于钢构件10、铝构件20的牌号不同，所采用的反应过渡层51的具体组成成分
配比不同，Al粉、Ni粉、ZnCl2粉、NH4Cl粉的质量比可根据实际情况进行适应性调整)；反应过
渡层51的厚度B为铝凹槽21深度g的1/18、为1mm。

[0044] 增强增韧层52为由Al、Si、Mg、Zn与Re粉末均匀混合后经重熔、热处理、挤压成型制成环形件且紧贴反应过渡层51远离槽底的一侧端面，其中Al、Si、Mg、Zn与Re的质量百分含
量具体为：Si： 8％、Mg：2％、Zn：4％、Re：0.2％、其余为Al，Al为85.8％(需要说明的是：由于
钢构件10、铝构件20的牌号不同，所采用的反增强增韧层52的具体组成成分配比不同，Al‑
Si‑Mg‑Zn‑Re的质量百分含量可根据实际情况进行适应性调整)；增强增韧层52成型后，经
热处理使合金成分均匀化，然后通过压嵌嵌入钢内凹槽11、钢外凹槽13 以及铝凹槽21内；
增强增韧层52的厚度D与反应过渡层51厚度B 之和不大于铝凹槽21的深度g，且铝凹槽21深
度g与两层厚度和(即增强增韧层52厚度与反应过渡层51厚度的和)的差值不大于0.2mm、即
g‑(B+D)≤0.2mm、即17‑D≤0.2mm；增强增韧层的硬度为待焊铝构件20硬度的3/5。

[0045] 反应辅热层53为涂层结构，其通过冷喷涂均匀喷涂在铝构件20 与钢构件10的待焊接端面(即钢凸台12端面、增强增韧层52远离反应过渡层51一侧的端面以及其它待焊接
端面，如图4所示)，反应辅热层53由Al粉与CuO粉按质量比2：7.5均匀混合而成；反应辅热层
53的厚度E为0.2～1mm(其厚度根据待焊件的结构、尺寸、牌号及焊机的焊接能力等进行综
合决定)。

[0046] 待焊接钢构件10与铝构件20按上述结构设置双向嵌合的摩擦焊接接头以及在摩擦焊接接头处设置焊接辅助层后，再根据待焊接钢构件10与铝构件20的尺寸进行焊件夹持
工装设计，然后对待焊接钢构件10、铝构件20的焊接面进行焊前处理(如去油污、去毛刺等
处理)，再对待焊接钢构件10、铝构件20进行装夹、使它们分别位于摩擦焊机的旋转端与移
动端，然后对摩擦焊机设置焊接参数、启动摩擦焊机进行摩擦焊接处理，最后对焊接后的工
件进行焊后处理、如去除飞边等。(本段所述的摩擦步骤为本领域常规的摩擦焊接工艺，因
此本申请不做具体论述)。

[0047] 实施例2：

[0048] 一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：包括对铝构件20和钢构件10的焊接接头进行双向嵌合结构设计以及在焊接接头处设置焊接辅助层；铝构件20与
钢构件10均采用管件结构进行焊接，且铝构件20与钢构件10的直径与厚度一致，且钢构件 
10的直径为500mm，壁厚为140mm。

[0049] 对铝构件20和钢构件10的焊接接头进行双向嵌合结构设计具体为：针对钢构件10的待焊接面由中心轴向外依次加工出环形的钢内凹槽11、环形的钢凸台12以及环形的钢外
凹槽13，钢内凹槽11与钢外凹槽13紧贴钢凸台12且钢内凹槽11、钢凸台12、钢外凹槽13 与
钢构件10同轴心；针对铝构件20的待焊接面加工出环形的铝凹槽 21，铝凹槽21与钢凸台12
对应且铝凹槽21与铝构件20同轴心；钢内凹槽11的槽宽小于钢外凹槽13槽宽，且钢凸台12
端面设置第一倒角120、铝凹槽21槽口设置第二倒角210，钢内凹槽11槽口远离钢凸台12的
内圈设置第三倒角110，钢外凹槽13槽口远离钢凸台12 的外圈设置第四倒角130；

[0050] 钢凸台12的高度f为22mm，厚度a(平直部分)为30mm；铝凹槽21的深度g为20mm，槽宽d为30mm。

[0051] 钢外凹槽13槽宽c比钢内凹槽11槽宽b长10％～20％(即 )，且钢外凹槽13槽宽c为15mm、则b＝13mm；钢外凹槽13槽深e、钢内凹槽11槽深e与铝凹槽21深度
g一致(即 e＝g＝20mm)。

[0052] 第一倒角120角度h为45°，第二倒角210角度k比第一倒角 120角度h小12°(即k＝h‑12°＝33°)，且第一倒角120的高度p 为铝凹槽21深度g的1/2，第二倒角210的高度q为铝
凹槽21深度 g的1/2， 第三倒角110与第四倒角130的角度均为 45°(即l
与m均为45°)且第三倒角110高度o为钢内凹槽11深度e的1/2、第四倒角130高度o为钢外凹
槽13深度e的1/2，均为 10mm。

[0053] 钢内凹槽11倒角边缘距钢构件10内表面(若为棒材的，则为轴心)的距离、钢外凹槽13倒角边缘距钢构件10外表面的距离相等，且钢内凹槽11倒角边缘距钢构件10内表面
(若为棒材的，则为轴心) 的距离不小于10mm。钢内凹槽11(含第三倒角110投影面积)、钢外
凹槽13(含第四倒角130投影面积)以及钢凸台12(含第一倒角 120投影面积)的截面面积不
超过钢构件焊接截面面积的70％。

[0054] 在焊接接头处设置焊接辅助层具体为：焊接辅助层设置在待焊端面且焊接辅助层包括反应过渡层51、增强增韧层52以及反应辅热层 53；

[0055] 反应过渡层51为混合粉末层、其均匀铺设在钢内凹槽11、钢外凹槽13与铝凹槽21槽底，反应过渡层51由Al粉、Ni粉、ZnCl2粉与NH4Cl粉按质量比3：6：1.2：1.2均匀混合而成
(需要说明的是：由于钢构件10、铝构件20的牌号不同，所采用的反应过渡层51的具体组成
成分配比不同，Al粉、Ni粉、ZnCl2粉、NH4Cl粉的质量比可根据实际情况进行适应性调整)；反
应过渡层51的厚度B为铝凹槽21深度g的1/10、为2mm。

[0056] 增强增韧层52为由Al、Si、Mg、Zn与Re粉末均匀混合后经重熔、热处理、挤压成型制成环形件且紧贴反应过渡层51远离槽底的一侧端面，其中Al、Si、Mg、Zn与Re的质量百分含
量具体为：Si： 12.5％、Mg：5％、Zn：6％、Re：0.5％、其余为Al，Al为76％(需要说明的是：由
于钢构件10、铝构件20的牌号不同，所采用的反增强增韧层52的具体组成成分配比不同，
Al‑Si‑Mg‑Zn‑Re的质量百分含量可根据实际情况进行适应性调整)；增强增韧层52成型后，
经热处理使合金成分均匀化，然后通过压嵌嵌入钢内凹槽11、钢外凹槽 13以及铝凹槽21
内；增强增韧层52的厚度D与反应过渡层51厚度 B之和不大于铝凹槽21的深度g，且铝凹槽
21深度g与两层厚度和 (即增强增韧层52厚度与反应过渡层51厚度的和)的差值不大于 
0.2mm、即g‑(B+D)≤0.2mm，18‑D≤0.2mm；增强增韧层的硬度为待焊铝构件20硬度的11/20。

[0057] 反应辅热层53为涂层结构，其通过冷喷涂均匀喷涂在铝构件20 与钢构件10的待焊接端面(即钢凸台12端面、增强增韧层52远离反应过渡层51一侧的端面以及其它待焊接
端面，如图4所示)，反应辅热层53由Al粉与CuO粉按质量比2.5：8均匀混合而成；反应辅热层
53的厚度E为0.2～1mm(其厚度根据待焊件的结构、尺寸、牌号及焊机的焊接能力等进行综
合决定)。

[0058] 待焊接钢构件10与铝构件20按上述结构设置双向嵌合的摩擦焊接接头以及在摩擦焊接接头处设置焊接辅助层后，再根据待焊接钢构件10与铝构件20的尺寸进行焊件夹持
工装设计，然后对待焊接钢构件10、铝构件20的焊接面进行焊前处理(如去油污、去毛刺等
处理)，再对待焊接钢构件10、铝构件20进行装夹、使它们分别位于摩擦焊机的旋转端与移
动端，然后对摩擦焊机设置焊接参数、启动摩擦焊机进行摩擦焊接处理，最后对焊接后的工
件进行焊后处理、如去除飞边等。(本段所述的摩擦步骤为本领域常规的摩擦焊接工艺，因
此本申请不做具体论述)。

[0059] 实施例3：

[0060] 一种大尺寸铝‑钢反应辅热增韧摩擦焊接方法，其特征在于：包括对铝构件20和钢构件10的焊接接头进行双向嵌合结构设计以及在焊接接头处设置焊接辅助层；铝构件20与
钢构件10均采用管件结构进行焊接，且铝构件20与钢构件10的直径与厚度一致，且钢构件 
10的直径为550mm，壁厚为160mm。

[0061] 对铝构件20和钢构件10的焊接接头进行双向嵌合结构设计具体为：针对钢构件10的待焊接面由中心轴向外依次加工出环形的钢内凹槽11、环形的钢凸台12以及环形的钢外
凹槽13，钢内凹槽11与钢外凹槽13紧贴钢凸台12且钢内凹槽11、钢凸台12、钢外凹槽13 与
钢构件10同轴心；针对铝构件20的待焊接面加工出环形的铝凹槽 21，铝凹槽21与钢凸台12
对应且铝凹槽21与铝构件20同轴心；钢内凹槽11的槽宽小于钢外凹槽13槽宽，且钢凸台12
端面设置第一倒角120、铝凹槽槽口设置第二倒角210，钢内凹槽11槽口远离钢凸台12的内
圈设置第三倒角110，钢外凹槽13槽口远离钢凸台12的外圈设置第四倒角130；

[0062] 钢凸台12的高度f为24mm，厚度a(平直部分)为32mm；铝凹槽21的深度g为22mm，槽宽d为32mm。

[0063] 钢外凹槽13槽宽c比钢内凹槽11槽宽b长10％～20％(即 )，且钢外凹槽13槽宽c为17mm、b为15mm；钢外凹槽13槽深e、钢内凹槽11槽深e与铝凹槽21深度g
一致(即 e＝g＝22mm)。

[0064] 第一倒角120角度h为50°，第二倒角210角度k比第一倒角 120角度h小15°(即k＝h‑15°＝35°)，且第一倒角120的高度p 为铝凹槽21深度g的1/2，第二倒角210的高度q为铝
凹槽21深度 g的1/2， 第三倒角110与第四倒角130的角度均为 45°(即l
与m均为45°)且第三倒角110高度o为钢内凹槽11深度e的1/2、第四倒角130高度o为钢外凹
槽13深度e的1/2，均为 11mm。

[0065] 钢内凹槽11倒角边缘距钢构件10内表面(若为棒材的，则为轴心)的距离、钢外凹槽13倒角边缘距钢构件10外表面的距离相等，且钢内凹槽11倒角边缘距钢构件10内表面
(若为棒材的，则为轴心) 的距离不小于10mm。钢内凹槽11(含第三倒角110投影面积)、钢外
凹槽13(含第四倒角130投影面积)以及钢凸台12(含第一倒角 120投影面积)的截面面积不
超过钢构件10焊接截面面积的70％。

[0066] 在焊接接头处设置焊接辅助层具体为：焊接辅助层设置在待焊端面且焊接辅助层包括反应过渡层51、增强增韧层52以及反应辅热层 53；

[0067] 反应过渡层51为混合粉末层、其均匀铺设在钢内凹槽11、钢外凹槽13与铝凹槽21槽底，反应过渡层51由Al粉、Ni粉、ZnCl2粉与NH4Cl粉按质量比3.5：6.5：1.5：1.5均匀混合而
成(需要说明的是：由于钢构件10、铝构件20的牌号不同，所采用的反应过渡层51 的具体组
成成分配比不同，Al粉、Ni粉、ZnCl2粉、NH4Cl粉的质量比可根据实际情况进行适应性调整)；
反应过渡层51的厚度B为铝凹槽21深度g的1/20、为1.1mm。

[0068] 增强增韧层52为由Al、Si、Mg、Zn与Re粉末均匀混合后经重熔、热处理、挤压成型制成环形件且紧贴反应过渡层51远离槽底的一侧端面，其中Al、Si、Mg、Zn与Re的质量百分含
量具体为：Si： 15％、Mg：8％、Zn：8％、Re：0.7％、其余为Al，Al为68.3％(需要说明的是：由
于钢构件10、铝构件20的牌号不同，所采用的反增强增韧层52的具体组成成分配比不同，
Al‑Si‑Mg‑Zn‑Re的质量百分含量可根据实际情况进行适应性调整)；增强增韧层52轧制成
型后、经热处理使合金成分均匀化，然后通过压嵌嵌入钢内凹槽11、钢外凹槽13以及铝凹槽
21内；增强增韧层52的厚度D与反应过渡层51 厚度B之和不大于铝凹槽21的深度g，且铝凹
槽21深度g与两层厚度和(即增强增韧层52厚度与反应过渡层51厚度的和)的差值不大于
0.2mm、即g‑(B+D)≤0.2mm、即20.9‑D≤0.2mm；增强增韧层的硬度为待焊铝构件20硬度的1/
2。

[0069] 反应辅热层53为涂层结构，其通过冷喷涂均匀喷涂在铝构件20 与钢构件10的待焊接端面(即钢凸台12端面、增强增韧层52远离反应过渡层51一侧的端面以及其它待焊接
端面，如图4所示)，反应辅热层53由Al粉与CuO粉按质量比3：8.5均匀混合而成；反应辅热层
53的厚度E为0.2～1mm(其厚度根据待焊件的结构、尺寸、牌号及焊机的焊接能力等进行综
合决定)。

[0070] 待焊接钢构件10与铝构件20按上述结构设置双向嵌合的摩擦焊接接头以及在摩擦焊接接头处设置焊接辅助层后，再根据待焊接钢构件10与铝构件20的尺寸进行焊件夹持
工装设计，然后对待焊接钢构件10、铝构件20的焊接面进行焊前处理(如去油污、去毛刺等
处理)，再对待焊接钢构件10、铝构件20进行装夹、使它们分别位于摩擦焊机的旋转端与移
动端，然后对摩擦焊机设置焊接参数、启动摩擦焊机进行摩擦焊接处理，最后对焊接后的工
件进行焊后处理、如去除飞边等。(本段所述的摩擦步骤为本领域常规的摩擦焊接工艺，因
此本申请不做具体论述)。

[0071] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。