本发明涉及焊接技术领域，具体的说是一种特别适用于实现陶瓷材料、金属材料、复合材料的同质或异质对接、角接和t型接头的互连的基于针式焊头的超声钎焊装置及方法。
背景技术：
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钎焊作为传统制造业和电子器件封装的关键技术，广泛应用于航空航天、石油化工、轨道交通、汽车制造、清洁能源等诸多领域。随着现代工业的迅速发展，异种材料构件因其具备良好的综合性能，被大量投入于工程应用。异种材料诸如陶瓷、金属及复合材料等在物理、化学、力学性能方面存在巨大的差异，常规焊接方法难以实现其互连，如何实现高效、优质的互连逐渐成为目前研究的热点和难点。
国内外研究表明，钎料在钎缝中的润湿、铺展及填缝决定了钎焊的质量。传统的钎焊通常通过不断开发优质钎料和改善钎焊工艺来提高钎焊接头的质量，外加能场的引入为提高钎焊工艺性能提供了新的思路和研究方向。超声波在液态钎料传递过程中，伴随着空化和声流作用，空化气泡在液态钎料中的爆破导致表面能向热能和化学能的转变，产生局部高温、高压，伴随的冲击波对母材表面进行轰击，造成氧化膜的剥落或坑蚀，降低了固液界面张力，提高了钎料的填缝能力，从而改善钎料的润湿性能，促进钎料和母材的冶金反应，最终实现有效的互连。超声作用可有效的细化晶粒，提高互连接头的力学性能。但是传统的超声辅助钎焊存在超声功率损耗严重、均温性差、对材料的尺寸要求苛刻等不足，此外，只能实现搭接接头的互连，应用受到极大限制。而其他的外加能场辅助钎焊方法如电场辅助钎焊、磁场辅助钎焊又分别存在着磁力搅拌作用不明显、促进传质过程不明显等技术上的不足。
技术实现要素：
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本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种特别适用于实现陶瓷材料、金属材料、复合材料的同质或异质对接、角接和t型接头互连的基于针式焊头的超声钎焊装置及方法。
本发明可以通过以下措施达到：
一种基于针式焊头的超声钎焊装置，其特征在于由超声系统、加热系统、行走装置系统组成，其中所述超声系统设有超声波发生器、压电陶瓷换能器、传振杆、聚能器和焊头，超声波发生器与压电陶瓷换能器相连接，压电陶瓷换能器与聚能器经传振杆相连接，聚能器的输出端与焊头相连接，压电陶瓷换能器、传振杆、聚能器和焊头构成的组合体经夹具固定于机械手臂，超声波发生器产生的超声波传递到焊头并作用于焊缝；
所述加热系统设有热板、热板温控模块、焊头加热线圈、加热线圈温控模块，热板温控模块与热板相连，焊头加热线圈设置在焊头外侧，加热线圈温控模块与焊头加热线圈相连接；
所述行走装置系统设有用于控制焊头移动的机械手臂以及机械手臂的控制机构；还设有用于固定待互连母材的焊接夹具，焊接夹具置于热板上；
所述超声波发生器的超声波功率为0-3000w，超声频率为20-120khz，当待互连构件焊缝为纵缝，且坡口类型为v型时，采用焊头类型为锲型，直径为1-10mm，长度50-150mm，焊头工作面设计为锲型，角度范围为20-120°；当待互连构件焊缝为纵缝，且坡口类型为u型时，采用焊头类型为u型，直径为1-10mm，长度50-150mm，焊头工作面设计为u型，圆弧半径范围为0.2-10mm，两侧直边角度为10-45°；当待互连构件焊缝为环缝时，采用焊头类型为锥型，直径为1-10mm，长度50-150mm，焊头工作面设计为锥型，锥度范围为0.3-3.5。
本发明所述的焊头前端设计不局限于以上几种形式，根据具体焊接过程中坡口的类型和焊缝的形状来设计焊头，保证焊头工作面与待互连界面有良好的接触。
本发明所述的焊头材料选用耐高温、耐磨损、高硬度的材料，如优质白钢、钨及其合金等。
本发明所述的焊头采用铆接或焊接方式固定于聚能器，保证焊头与聚能器不发生相对运动；或者，所述的焊头采取螺钉紧固方式固定于聚能器上，接触面要求平整光洁，以保证超声能量的传递效率。
本发明所述热板和焊头加热线圈的工作温度范围为室温至1000℃；所述热板采用的加热方式为电阻加热或电磁感应加热；加热线圈的加热方式为电磁感应线圈或电阻加热线圈；加热方式还可以采用高能束加热方法。
本发明还提出了一种如上所述的基于针式焊头的超声钎焊装置用于同质或异质材料焊接的方法，其特征在于由以下步骤组成：
步骤1：对焊接夹具进行除污、清洗、烘干备用，将母材进行清洗、烘干备用，所述母材为陶瓷材料、金属材料和复合材料等，将母材进行装配，构成待焊接接头试样；
步骤2：在焊缝中填入钎料，钎料选择粉状或丝状，或直接预制于焊缝中，通过加热系统对待焊接接头试样结构进行加热并使钎料熔化，焊头加热至略高于钎料实际温度，压入熔融态钎料中，并按照预设轨迹移动，同时施加超声作用；
步骤3：将焊头移出钎缝，停止加热和超声作用，对试样进行冷却，获得可靠的互连接头。
所述钎焊方法步骤1中，工艺开始前，将焊接夹具先后置于橙油和丙酮溶液中进行超声分别清洗3-10min，后置于干燥箱进行烘干，温度为120℃-250℃，时间为1h-5h，冷却后置于干燥箱中备用。
所述钎焊方法步骤1中，母材为同质或异质的金属材料、陶瓷材料或复合材料，其中金属材料包括常见的铜、镍、锌、镁、铝、钛、铁、铂、金、银等单质及其合金；陶瓷材料包括：氧化铝、氧化铍、氧化锆、氧化锌、氮化硅、氮化铝、立方氮化硼、碳化铌、碳化钨、碳化钛、碳化硅、氮化镓、金刚石、k9玻璃、二氧化硅等；复合材料包括：铝、镁、铜、钛等及其合金的金属基复合材料，陶瓷、石墨、碳等非金属基复合材料。
所述钎焊方法步骤1中，母材的形状为片状或块状，并对其开坡口，以保证焊头可以直接深入坡口底部，有利于焊头的移动和做必要的摆动，其中较薄的材料开v或u型坡口，较厚的材料则开为双v或双u型。
所述钎焊方法步骤1中，采用3000目砂纸或金刚石磨盘对待互连的母材界面进行打磨，随之将其先后置于橙油和丙酮溶液中超声分别清洗3-10min，后置于干燥箱进行烘干，温度为120℃-250℃，时间为1h-5h，冷却后置于干燥箱中备用。
所述钎焊方法步骤2中，为保证较低的钎焊温度，采用sn基钎料，并加入ti、mg、al、cr等活性元素，如sn-x％al(wt.％，x＝0-2)、sn-x％ti(wt.％，x＝0-4)、sn-x％cr(wt.％，x＝0-4)，并根据钎料的熔点选用适宜的反应温度，热板和加热线圈的加热温度范围为200℃-450℃。
所述钎焊方法步骤2中，根据待互连材料的可焊性，同时考虑互连接头的服役条件，可采用高温钎料，如ag-cu-ti，al-si等钎料，根据钎料的熔点选用适宜的反应温度，热板和加热线圈的加热温度范围为500℃-800℃。
所述钎焊方法步骤2中，为避免在加热过程中，待互连母材和钎料发生氧化，可对操作区域进行惰性气体保护，可选择氮气、氩气、氦气等。
所述钎焊方法步骤2中，可采用电磁感应加热、电阻加热等方式或复合加热方式，针对某些高温钎料可采用激光、电弧等高能束辅助热源，并采用和焊头同步移动的方式对钎料进行加热使之熔化。
所述钎焊方法步骤2中，所述的行走装置系统控制焊头对待焊接试样施加的压力范围为0-1mpa。
所述钎焊方法步骤2中，针对板厚不超过5mm的待互连母材，采用单层焊接方式，焊接过程中，所述的行走装置系统控制焊头移动速率范围为0-10mm/s。
所述钎焊方法步骤2中，针对板厚超过5mm的待互连母材，采用多层焊接方式，即在焊接过程中，焊头工作面逐层扫描待焊接界面，所述的行走装置系统控制焊头移动速率范围为0-10mm/s。
所述钎焊方法步骤3中，待超声作用结束后，焊头从熔融态钎料中升起，停止加热，试样及其夹具按照冷却速率为2℃/min-10℃/min进行冷却，冷却至室温，将试样从夹具中取下。
所提出的基于针式焊头的超声钎焊方法，超声波在液态钎料传递过程中，伴随着空化和声流作用，空化气泡在液态钎料中的爆破导致表面能向热能和化学能的转变，产生局部高温、高压，伴随的冲击波对母材表面进行轰击，造成氧化膜的剥落或坑蚀，从而改善钎料的润湿性能，促进钎料和母材的冶金反应，最终实现有效的互连；通过采用两种外场辅助工艺，促进了钎料的润湿、铺展和填缝，提高了互连接头的质量。
本发明克服了传统钎焊需要真空或保护气氛环境的苛刻条件，极大的降低了设备成本；与常规超声辅助焊接方法相比，对材料尺寸要求低，可实现大尺寸、大板厚、高质量材料的互连，采用针式焊头超声加载方式，有效降低了超声功率的损耗；在超声钎焊过程中，加热温度较低，且超声可细化接头晶粒，有效的解决了传统钎焊接头残余应力较大的问题。此外，传统的超声辅助钎焊工艺仅用于实现搭接接头的互连，本发明采用的基于针式焊头的超声钎焊工艺则可实现对接接头的互连，且不局限于此，还可进一步实现角接和t型接头的互连。
本发明相对于现有技术具有设备简单、工艺周期短、操作灵活等显著优点，极大地降低了成本，适合大规模工业化生产，在同质或异质陶瓷材料、金属材料、复合材料等的连接领域具有极大的应用前景。
附图说明：
附图1是本发明的结构示意图。
附图2是本发明中对接、角接、t型接头及其坡口形式示意图。
附图3是本发明中焊头的设计示意图。
附图标记：机械手臂1、控制系统2、热板温度控制模块3、热板4、焊接夹具5、母材6、母材7、焊接夹具8、焊头加热线圈温度控制模块9、焊头加热线圈10、焊头11、聚能器12、传振杆13、压电陶瓷换能器14、超声发生器15。
具体实施方式：
下面结合实际案例对本发明做了作为进一步的优选说明。本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
实施例1：
一种基于针式焊头的超声钎焊实现铜-铝异质金属互连的方法，包括以下几个步骤：
步骤1：将焊接夹具先后置于橙油和丙酮溶液中进行超声分别清洗5min，后置于鼓风式干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为3h，冷却后置于干燥箱中备用；待互连母材分别为1060铝和t2纯铜，厚度均为1mm，对待互连母材开v型坡口，坡口面角度为30°，采用前端为锲型的焊头，角度为60°，材质为钨铼合金，采用3000目的砂纸对坡口进行打磨，随之将其先后置于橙油和丙酮溶液中超声分别清洗3min，后置于鼓风式干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为2h，冷却后置于干燥箱中备用；将待互连母材进行装配，保证在工艺过程中，待互连材料和夹具不发生相对运动；
步骤2：在该工艺过程中，选用sn0.3ag0.7cu-2％ti(wt.％)钎料，采用预制方式对焊缝进行填充，采用热板加热，反应温度为250℃，将装配好的结构进行适当的时间的保温，钎料熔化后，通过机械手臂将焊头浸入焊缝中与母材接触并施加压力，按照预先编制好的程序沿焊缝方向移动，与此同时施加超声作用，其中超声振动方向垂直于移动方向，超声的频率是20khz，功率为300w，焊头移动速率为5mm/s；
步骤3：待超声作用结束后，焊头从熔融态钎料中升起，停止加热，对试样及其夹具进行冷却，冷却速率为10℃/min。
采用本实施案例方式获得优质的铜/铝异质金属接头，经测试，焊缝完整致密，无裂纹、孔洞等缺陷，在母材和钎料界面处形成细小的不连续状的金属间化合物，具备良好的力学性能，可满足使用要求。
实施例2：
一种基于针式焊头的超声钎焊实现氮化铝陶瓷-铝异质材料互连的方法，其包括以下几个步骤：
步骤1：将焊接夹具先后置于橙油和丙酮溶液中进行超声分别清洗3min，后置于干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为3h，冷却后置于干燥箱中备用；待互连母材分别为1060铝和氮化铝陶瓷，厚度均为5mm，待互连的材料均开v型坡口，坡口面角度均为为35°，采用前端为锲型的焊头，角度为70°，材质为钨铼合金，采用3000目的金刚石磨盘对坡口进行打磨，随之将其先后置于橙油和丙酮溶液中超声分别清洗3min，后置于干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为2h，冷却后置于干燥箱中备用；将待互连材料进行装配，保证在工艺过程中，待互连材料和夹具不发生相对运动；
步骤2：在该工艺过程中，选用sn0.3ag0.7cu-2％ti(wt.％)钎料，采用预制方式对焊缝进行填充，采用热板加热，温度为280℃。将装配好的结构进行适当的时间的保温，钎料熔化后，通过机械手臂将焊头浸入焊缝中与母材接触并施加压力，按照预先编制好的程序沿焊缝方向移动，与此同时施加超声作用，其中超声振动方向垂直于移动方向，超声的频率是40khz，功率为500w，焊头移动速率为2mm/s；
步骤3：待超声作用结束后，焊头从熔融态钎料中升起，停止加热，对试样及其夹具进行冷却，冷却速率为6℃/min。
采用本实施案例方式获得氮化铝陶瓷-铝异质材料对接接头，经测试，焊缝完整致密，无裂纹、孔洞等缺陷，在氮化铝陶瓷和钎料界面处实现了冶金结合，具备良好的力学性能，该互连接头达到了应用要求。
实施例3：
一种基于针式焊头的超声钎焊实现氧化铝陶瓷-铝异质材料互连的方法，其包括以下几个步骤：
步骤1：将焊接夹具先后置于橙油和丙酮溶液中进行超声分别清洗3min，后置于干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为3h，冷却后置于干燥箱中备用；待互连母材分别为1060铝和氧化铝陶瓷，厚度均为5mm，待互连的材料均开v型坡口，坡口面角度均为为35°，采用前端为锲型的焊头，角度为70°，材质为钨铼合金，采用3000目的金刚石磨盘对坡口进行打磨，随之将其先后置于橙油和丙酮溶液中超声分别清洗3min，后置于干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为2h，冷却后置于干燥箱中备用；将待互连材料进行装配，保证在工艺过程中，待互连材料和夹具不发生相对运动；
步骤2：在该工艺过程中，选用sn0.3ag0.7cu-2％ti(wt.％)钎料，采用预制方式对焊缝进行填充，采用热板加热，温度为280℃。将装配好的结构进行适当的时间的保温，钎料熔化后，通过机械手臂将焊头浸入焊缝中与母材接触并施加压力，按照预先编制好的程序沿焊缝方向移动，与此同时施加超声作用，其中超声振动方向垂直于移动方向，超声的频率是40khz，功率为500w，焊头移动速率为2mm/s；
步骤3：待超声作用结束后，焊头从熔融态钎料中升起，停止加热，对试样及其夹具进行冷却，冷却速率为6℃/min。
采用本实施案例方式获得氧化铝陶瓷-铝异质材料对接接头，经测试，焊缝完整致密，无裂纹、孔洞等缺陷，在氧化铝陶瓷和钎料界面处实现了冶金结合，具备良好的力学性能，该互连接头达到了应用要求。
实施例4：
一种基于针式焊头的超声钎焊实现氧化铝-氮化铝陶异质陶瓷互连的方法，其包括以下几个步骤：
步骤1：将夹具先后置于橙油和丙酮溶液中进行超声分别清洗3min，后置于干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为3h，冷却后置于干燥箱中备用；待互连母材分别为氧化铝和氮化铝陶瓷，厚度均为5mm，待互连的材料均开v型坡口，坡口面角度均为为40°，采用前端为锲型的焊头，角度为80°，材质为钨铼合金，采用3000目的金刚石磨盘对坡口进行打磨，随之将其先后置于橙油和丙酮溶液中超声分别清洗3min，后置于干燥箱进行烘干，温度为200℃，时间为2h，冷却后置于干燥箱中备用；将待互连材料进行装配，保证在工艺过程中，待互连材料和夹具不发生相对运动；
步骤2：在该工艺过程中，选用alsi11.7钎料，采用预制方式对焊缝进行填充，采用热板加热，反应温度为550℃，将装配好的结构进行适当的时间的保温，钎料熔化后，通过机械手臂将焊头浸入焊缝中与母材接触并施加压力，按照预先编制好的程序沿焊缝方向移动，与此同时施加超声作用，其中超声振动方向垂直于移动方向，超声的频率是40khz，功率为800w，焊头移动速率为1mm/s；
步骤3：待超声作用结束后，焊头从熔融态钎料中升起，停止加热，对试样及其夹具进行冷却，冷却速率为2℃/min。
采用本实施案例方式获得优质的氧化铝陶瓷/氮化铝陶瓷异质材料对接接头，经测试，在两侧陶瓷和钎料界面处均实现了冶金结合，焊缝完整致密，无裂纹、孔洞等缺陷，由于采用高熔点钎料，该互连接头具备一定高温稳定性。
应该指出，虽然结合附图和实施案例对本发明的设备及方法做了详细的阐述，但本发明的构思并不局限于此，凡利用本发明的构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。