JP2019111547A - 液冷ジャケットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる金属からなるジャケット本体及び封止体を好適に接合することができる液冷ジャケットの製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】周壁部１１の内周縁に、段差部１２を形成する準備工程と、ジャケット本体２に封止体３を載置し、第一突合せ部Ｊ１を形成するとともに、第二突合せ部Ｊ２を形成する載置工程と、第一回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみをジャケット本体２のみに接触させた状態で第一突合せ部Ｊ１に摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、本接合工程では、第一回転ツールＦの回転中心軸Ｃをジャケット本体２の周壁部１１側に傾斜させ、封止体３の外周側面３ｃに対する第一回転ツールＦの回転中心軸Ｃの傾斜角度をγとし、攪拌ピンＦ２の外周面の回転中心軸Ｃに対する傾斜角度をαとすると、γ＝αにした状態で摩擦攪拌接合方法を行う。【選択図】図４

Description

本発明は、液冷ジャケットの製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、液冷ジャケットの製造方法が開示されている。図１１は、従来の液冷ジャケットの製造方法を示す断面図である。従来の液冷ジャケットの製造方法では、アルミニウム合金製のジャケット本体１０１の段差部に設けられた段差側面１０１ｃと、アルミニウム合金製の封止体１０２の側面１０２ｃとを突き合わせて形成された突合せ部Ｊ１０に対して摩擦攪拌接合を行うというものである。また、従来の液冷ジャケットの製造方法では、回転ツールＦの攪拌ピンＦ２のみを突合せ部Ｊ１０に挿入して摩擦攪拌接合を行っている。また、従来の液冷ジャケットの製造方法では、回転ツールＦの回転中心軸Ｃを突合せ部Ｊ１０に重ねて相対移動させるというものである。

特開２０１５−１３１３２１号公報

ここで、ジャケット本体１０１は複雑な形状となりやすく、例えば、４０００系アルミニウム合金の鋳造材で形成し、封止体１０２は、銅又は銅合金で形成するというような場合がある。しかし、異なる金属部材同士を摩擦攪拌接合する場合、各金属部材の融点等が異なるため、十分な接合強度にすることが困難になるという問題がある。

このような観点から、本発明は、異なる金属からなるジャケット本体及び封止体を好適に接合することができる液冷ジャケットの製造方法を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために本発明は、底部、前記底部から立ち上がる周壁部を備えるジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を攪拌ピンを備える回転ツールを用いて接合する液冷ジャケットの製造方法であって、前記ジャケット本体はアルミニウム合金によって形成されており、前記封止体は銅又は銅合金によって形成されており、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、前記ジャケット本体に前記封止体を載置し、前記段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ジャケット本体のみに接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、前記本接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸を前記ジャケット本体の周壁部側に傾斜させ、前記封止体の前記外周側面に対する前記回転ツールの回転中心軸の傾斜角度をγとし、前記攪拌ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝αにした状態で摩擦攪拌接合方法を行うことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、ジャケット本体と攪拌ピンとの摩擦熱によって第一突合せ部の主としてジャケット本体側のアルミニウム合金が攪拌されて塑性流動化され、第一突合せ部において段差側面と封止体の外周側面とを接合することができる。また、攪拌ピンのみをジャケット本体のみに接触させて摩擦攪拌を行うため、封止体からジャケット本体への銅又は銅合金の混入は殆どない。これにより、第一突合せ部においては主としてジャケット本体側のアルミニウム合金が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。また、回転ツールの回転中心軸を段差側面に対して傾斜角度γ傾斜させているため、攪拌ピンと封止体との接触を容易に回避することができる。また、回転ツールの回転中心軸の段差側面に対する傾斜角度γを、攪拌ピンの外周面の回転中心軸に対する傾斜角度αに一致させて、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面とを平行にしているため、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面との接触を避けつつ、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面とを高さ方向に亘って極力近接させることができる。

また、本発明は、底部、前記底部から立ち上がる周壁部を備えるジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を攪拌ピンを備える回転ツールを用いて接合する液冷ジャケットの製造方法であって、前記ジャケット本体はアルミニウム合金によって形成されており、前記封止体は銅又は銅合金によって形成されており、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、前記ジャケット本体に前記封止体を載置し、前記段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ジャケット本体に接触させるとともに、前記封止体の前記外周側面にもわずかに接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って前記回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、前記本接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸を前記ジャケット本体の周壁部側に傾斜させ、前記封止体の前記外周側面に対する前記回転ツールの回転中心軸の傾斜角度をγとし、前記攪拌ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝αにした状態で摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、攪拌ピンの外周面を封止体にわずかに接触させるに留めるため、封止体からジャケット本体への銅又は銅合金の混入を極力少なくすることができる。これにより、第一突合せ部においては主としてジャケット本体側のアルミニウム合金が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。また、回転ツールの回転中心軸の段差側面に対する傾斜角度γを、攪拌ピンの外周面の回転中心軸に対する傾斜角度αに一致させて、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面とを平行にしているため、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面との接触代を高さ方向に亘って均一にすることができる。

また、本発明は、底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部を備えるジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を攪拌ピンを備える回転ツールを用いて接合する液冷ジャケットの製造方法であって、前記ジャケット本体はアルミニウム合金によって形成されており、前記封止体は銅又は銅合金によって形成されており、前記攪拌ピンは、先細りとなるように傾斜する外周面を備えるとともに平坦な先端面を備え、前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、前記ジャケット本体に前記封止体を載置し、前記段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ジャケット本体のみに接触させ、前記攪拌ピンの先端を前記段差底面の高さ位置よりも深く挿入するとともに、前記攪拌ピンの前記外周面と前記封止体の前記外周側面とを離間させた状態で前記第一突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、前記本接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸を前記ジャケット本体の周壁部側に傾斜させ、前記封止体の前記外周側面に対する前記回転ツールの回転中心軸の傾斜角度をγとし、前記攪拌ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝αにした状態で摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、封止体と攪拌ピンとの摩擦熱によって第一突合せ部の主としてジャケット本体側のアルミニウム合金が攪拌されて塑性流動化され、第一突合せ部において段差側面と封止体の外周側面とを接合することができる。また、第一突合せ部においては、攪拌ピンのみを封止体のみに接触させて摩擦攪拌を行うため、封止体からジャケット本体への銅又は銅合金の混入は殆どない。これにより、第一突合せ部においては主としてジャケット本体側のアルミニウム合金が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。また、回転ツールの回転中心軸を封止体の外周側面に対して傾斜角度γだけ傾斜させているため、攪拌ピンと封止体との接触を容易に回避することができる。また、封止体の外周側面に対する回転ツールの回転中心軸の傾斜角度γを、攪拌ピンの外周面の回転中心軸に対する傾斜角度αに一致させて、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面とを平行にしているため、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面との接触を避けつつ、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面とを高さ方向に亘って極力近接させることができる。また、攪拌ピンの先端を段差底面の高さ位置よりも深く挿入することにより、第一突合せ部の高さ方向の全体を摩擦攪拌接合することができる。

また、本発明は、底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部を備えるジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を攪拌ピンを備える回転ツールを用いて接合する液冷ジャケットの製造方法であって、前記ジャケット本体はアルミニウム合金によって形成されており、前記封止体は銅又は銅合金によって形成されており、前記攪拌ピンは、先細りとなるように傾斜する外周面を備えるとともに平坦な先端面を備え、前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、前記ジャケット本体に前記封止体を載置し、前記段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ジャケット本体に接触させ、回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンの先端を前記段差底面の高さ位置よりも深く挿入するとともに、前記攪拌ピンの前記外周面を前記封止体の前記外周側面にわずかに接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って前記回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、前記本接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸を前記ジャケット本体の周壁部側に傾斜させ、前記封止体の前記外周側面に対する前記回転ツールの回転中心軸の傾斜角度をγとし、前記攪拌ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度αとすると、γ＝αにした状態で摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、攪拌ピンの外周面を封止体にわずかに接触させるに留めるため、封止体からジャケット本体への銅又は銅合金の混入を極力少なくすることができる。これにより、第一突合せ部においては主としてジャケット本体側のアルミニウム合金が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。また、封止体の外周側面に対する回転ツールの回転中心軸の傾斜角度γを、攪拌ピンの外周面の回転中心軸に対する傾斜角度αに一致させて、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面とを平行にしているため、攪拌ピンの外周面と封止体の外周側面との接触代を高さ方向に亘って均一にすることができる。また、攪拌ピンの先端を封止体の外周側面の高さ位置よりも深く挿入することにより、第一突合せ部の高さ方向の全体を摩擦攪拌接合することができる。

また、前記準備工程では、前記周壁部の端面に、前記段差側面に沿う凸部を形成し、前記本接合工程では、前記攪拌ピンと前記凸部とを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことが好ましい。かかる製造方法によれば、凸部を設けることで第一突合せ部の金属不足を防ぐことができる。

また、前記封止体の板厚を、前記段差側面の高さ寸法よりも大きくすることが好ましい。かかる製造方法によれば、発熱体との熱交換効率を高めることができる。

また、前記攪拌ピンの外周面に螺旋溝を設け、当該螺旋溝が形成されている領域の長さ寸法を、前記段差側面の高さ寸法よりも大きくすることが好ましい。かかる製造方法によれば、第一突合せ部の深さ方向の全体を確実に接合することができる。

また、前記ジャケット本体は、アルミニウム合金鋳造材で形成することが好ましい。

また、前記回転ツールの外周面に基端側から先端側に向かうにつれて左回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、前記回転ツールの外周面に基端側から先端側に向かうにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることが好ましい。

かかる製造方法によれば、塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンの先端側に導かれるため、バリの発生を少なくすることができる。

また、前記本接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡に形成される塑性化領域のうち、前記ジャケット本体側がフロー側となり、前記封止体側がシアー側となるように前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することが好ましい。

かかる製造方法によれば、塑性化領域のうち融点の高い前記封止体側がシアー側となり、第一突合せ部の周囲における攪拌ピンによる攪拌作用が高まり、第一突合せ部における温度上昇が期待でき、第一突合せ部において段差側面と封止体の外周側面とをより確実に接合することができる。

また、前記準備工程では、前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって広がるように斜めに立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成し、前記本接合工程では、前記段差側面と前記封止体の外周側面との間の隙間を塑性流動材で埋めることが好ましい。

かかる製造方法によれば、ジャケット本体をダイキャスト鋳造によって製造する場合に、傾斜する段差側面を設けることでジャケット本体を金型から容易に離脱させることができるとともに、段差部を容易に形成することができる。また、段差側面と封止体の外周側面との間の隙間は塑性流動材で埋めることができる。

本発明に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、異なる金属からなるジャケット本体及び封止体を好適に接合することができる。

本発明の第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の準備工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の載置工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す斜視図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す断面図である。 第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の変形例に係る本接合工程を示す断面図である。 第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す断面図である。 第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す断面図である。 第四実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す断面図である。 第五実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の準備工程を示す断面図である。 第五実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の本接合工程を示す断面図である。 従来の液冷ジャケットの製造方法を示す断面図である。

［第一実施形態］
本発明の実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本発明の実施形態に係る液冷ジャケット１の製造方法は、ジャケット本体２と、封止体３とを摩擦攪拌接合して液冷ジャケット１を製造するものである。液冷ジャケット１は、封止体３の上に発熱体（図示省略）を設置するとともに、内部に流体を流して発熱体と熱交換を行う部材である。なお、以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面という意味である。

本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法は、準備工程と、載置工程と、本接合工程と、を行う。準備工程は、ジャケット本体２と封止体３とを準備する工程である。ジャケット本体２は、底部１０と、周壁部１１とで主に構成されている。ジャケット本体２は、アルミニウム合金を主に含んで形成されている。アルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳＨ５３０２ ＡＤＣ１２（Ａｌ-Ｓｉ-Ｃｕ系）等のアルミニウム合金鋳造材を用いている。

図１に示すように、底部１０は、平面視矩形を呈する板状部材である。周壁部１１は、底部１０の周縁部から矩形枠状に立ち上がる壁部である。周壁部１１の内周縁には段差部１２が形成されている。段差部１２は、段差底面１２ａと、段差底面１２ａから立ち上がる段差側面１２ｂとで構成されている。図２に示すように、段差側面１２ｂは、段差底面１２ａから開口部に向かって垂直に立ち上がっている。底部１０及び周壁部１１で凹部１３が形成されている。また、周壁部１１の端面１１ａには、段差側面１２ｂに沿う凸部２０が内周縁全体に亘って形成されている。凸部２０の断面形状は特に制限されないが、本実施形態では矩形になっている。凸部２０の大きさ及び位置は、本接合工程後に第一突合せ部Ｊ１に金属不足が発生しないようにすることが好ましい。

封止体３は、ジャケット本体２の開口部を封止する板状部材である。封止体３は、段差部１２に概ね隙間なく載置される大きさになっている。封止体３の板厚は、段差側面１２ｂの高さ寸法と同等でもよいが、本実施形態では段差側面１２ｂの高さ寸法よりも大きくなっている。封止体３は、銅又は銅合金を主に含んで形成されている。

載置工程は、図２に示すように、ジャケット本体２に封止体３を載置する工程である。載置工程では、段差底面１２ａに封止体３の裏面３ｂを載置する。段差側面１２ｂと封止体３の外周側面３ｃとが突き合わされて第一突合せ部Ｊ１が形成される。第一突合せ部Ｊ１は、段差側面１２ｂと封止体３の外周側面３ｃとが面接触する部分であり、面接触しないまでもわずかに隙間をあけて突き合わされる場合を含み得る。また、段差底面１２ａと、封止体３の裏面３ｂとが突き合わされて第二突合せ部Ｊ２が形成される。本実施形態では、封止体３を載置すると、封止体３の表面３ａは、周壁部１１の端面１１ａよりも高い位置となる。

本接合工程は、図３及び図４に示すように、第一回転ツールＦを用いてジャケット本体２と封止体３とを摩擦攪拌接合する工程である。第一回転ツールＦは、連結部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２とで構成されている。第一回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されている。連結部Ｆ１は、摩擦攪拌装置（図示省略）の回転軸に連結される部位である。連結部Ｆ１は円柱状を呈し、ボルトが締結されるネジ孔（図示省略）が形成されている。第一回転ツールＦが連結される摩擦攪拌装置は、例えば先端にスピンドルユニット等の回転駆動手段を備えたロボットアームであり、第一回転ツールＦの回転中心軸Ｃを自在に傾斜させることができる。

攪拌ピンＦ２は、連結部Ｆ１から垂下しており、連結部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２の長さは、封止体３の板厚よりも大きくなっている。攪拌ピンＦ２は連結部Ｆ１から離間するにつれて先細りになっている。図４に示すように、攪拌ピンＦ２の先端には、回転中心軸Ｃに対して垂直であり、かつ、平坦な先端面Ｆ３が形成されている。つまり、攪拌ピンＦ２の外面は、先細りとなる外周面と、先端に形成された先端面Ｆ３とで構成されている。側面視した場合において、回転中心軸Ｃと攪拌ピンＦ２の外周面とのなす傾斜角度αは、例えば５°〜３０°の範囲で適宜設定すればよい。

攪拌ピンＦ２の外周面には長さ方向の全体に亘って螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、第一回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端側から先端側に向かうにつれて左回りに形成されている。言い換えると、螺旋溝は、螺旋溝を基端側から先端側に向けてなぞると上から見て左回りに形成されている。

なお、第一回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端側から先端側に向かうにつれて右回りに形成することが好ましい。言い換えると、この場合の螺旋溝は、螺旋溝を基端側から先端側に向けてなぞると上から見て右回りに形成されている。螺旋溝をこのように設定することで、摩擦攪拌の際に塑性流動化した金属が螺旋溝によって攪拌ピンＦ２の先端側に導かれる。これにより、被接合金属部材（ジャケット本体２及び封止体３）の外部に溢れ出る金属の量を少なくすることができる。

図３に示すように、第一回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行う際には、右回転させた第一回転ツールＦを周壁部１１の端面１１ａに設定した開始位置Ｓｐに挿入し、第一突合せ部Ｊ１に突入させる。本接合工程では、攪拌ピンＦ２と凸部２０とを接触させつつ、第一回転ツールＦを第一突合せ部Ｊ１に沿って封止体３に対して左回りに一周させる。第一回転ツールＦの移動軌跡には摩擦攪拌された金属が硬化することにより塑性化領域Ｗが形成される。

本接合工程では、図４に示すように、ジャケット本体２の周壁部１１に右回転した攪拌ピンＦ２のみを斜めに挿入し、ジャケット本体２及び封止体３と連結部Ｆ１とは離間させつつ移動させる。言い換えると、攪拌ピンＦ２の基端部は露出させた状態で摩擦攪拌を行う。また、本実施形態の本接合工程では、攪拌ピンＦ２を封止体３には接触させずに摩擦攪拌接合を行う。

より詳しくは、本接合工程では、第一回転ツールＦの回転中心軸Ｃを封止体３の外周側面３ｃ（鉛直面）に対してジャケット本体２の外側に傾斜角度γ傾斜させることで、攪拌ピンＦ２のみをジャケット本体２のみに接触させた状態で第一突合せ部Ｊ１に沿って一周させる。ここで鉛直面とは、第一回転ツールＦの進行方向ベクトルと鉛直方向ベクトルで構成される平面と定義する。本実施形態において、封止体３の外周側面３ｃ及び段差側面１２ｂと鉛直面とは一致している。ここでの第一回転ツールＦの回転中心軸Ｃを封止体３の外周側面３ｃに対して傾斜させる傾斜角度γは、回転中心軸Ｃと攪拌ピンＦ２の外周面とのなす傾斜角度αと同じになっており、外周側面３ｃと外周側面３ｃに臨む攪拌ピンＦ２の外周面とは平行である。本実施形態では、攪拌ピンＦ２の先端面Ｆ３も封止体３に接触しないようにしている。また、攪拌ピンＦ２の挿入深さは、先端面Ｆ３が段差底面１２ａの高さ位置よりも深くなるように設定している。

「攪拌ピンＦ２のみをジャケット本体２のみに接触させた状態」とは、摩擦攪拌を行っている際に、攪拌ピンＦ２の外面が封止体３に接触していない状態を言い、攪拌ピンＦ２の外周面と封止体３の外周側面３ｃとの距離がゼロである場合も含み得る。

封止体３の外周側面３ｃから攪拌ピンＦ２の外周面までの距離が遠すぎると第一突合せ部Ｊ１の接合強度が低下する。封止体３の外周側面３ｃから攪拌ピンＦ２の外周面までの離間距離Ｌは適宜設定すればよいが、本実施形態のように攪拌ピンＦ２の外周面を封止体３の外周側面３ｃに接触させず、かつ、先端面Ｆ３を段差底面１２ａの高さ位置よりも深く挿入する場合は、例えば、０≦Ｌ≦０．５ｍｍに設定し、好ましくは０≦Ｌ≦０．３ｍｍに設定することが好ましい。言いかえると、離間距離Ｌは、第一回転ツールＦの攪拌ピンＦ２が封止体３に接触せず、かつ、摩擦攪拌によってジャケット本体２と封止体３とが拡散接合するように設定している。

ここで、攪拌ピンＦ２の外周面と封止体３とが大きく離間すると、第一突合せ部Ｊ１でジャケット本体２と封止体３とが相互に拡散せず、ジャケット本体２と封止体３とを強固に接合することができない。一方、第一回転ツールＦと封止体３とを接触させ、両者の重なり代を大きくした状態で摩擦攪拌を行うと、銅又は銅合金である封止体３を軟化させるために、接合条件を調節して入熱量を大きくする必要があり、接合不良となるおそれがある。因みに、入熱量が大きくなる接合条件下で、仮に第一回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の外周面と封止体３（銅又は銅合金）とを大きく接触させたとすると、アルミニウム合金部材中に銅部材が攪拌混入され、Ａｌ/Ｃｕの相互拡散が促進され、アルミニウム合金部材中に分散したＡｌ−Ｃｕ相が液相となり、アルミニウム合金部材側から多くのバリが発生して接合不良となる。

第一回転ツールＦを封止体３の廻りに一周させたら、塑性化領域Ｗの始端と終端とを重複させる。第一回転ツールＦは、引抜き痕が残存しないように、周壁部１１の端面１１ａにおいて、徐々に上昇させて引き抜くようにしてもよい。

以上説明した本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、第一回転ツールＦの攪拌ピンＦ２と封止体３の外周側面３ｃとは接触させていないが、ジャケット本体２と攪拌ピンＦ２との摩擦熱によって第一突合せ部Ｊ１の主としてジャケット本体２側のアルミニウム合金が攪拌されて塑性流動化され、第一突合せ部Ｊ１において段差側面１２ｂと封止体３の外周側面３ｃとを接合することができる。

また、攪拌ピンＦ２のみをジャケット本体２のみに接触させて摩擦攪拌を行うため、封止体３からジャケット本体２への銅又は銅合金の混入は殆どない。これにより、第一突合せ部Ｊ１においては主としてジャケット本体２側のアルミニウム合金が摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。

また、第一回転ツールＦの回転中心軸Ｃを封止体３の外周側面３ｃ（鉛直面）に対してジャケット本体２の外側に傾斜角度γ傾斜させているため、第一突合せ部Ｊ１においては、攪拌ピンＦ２と封止体３との接触を容易に回避することができる。また、本実施形態では、第一回転ツールＦの回転中心軸Ｃの封止体３の外周側面３ｃに対する傾斜角度γを、攪拌ピンＦ２の外周面の回転中心軸Ｃに対する傾斜角度αに一致させて、攪拌ピンＦ２の外周面と封止体３の外周側面３ｃとを平行にしているため、攪拌ピンＦ２の外周面と外周側面３ｃとの接触を避けつつ、攪拌ピンＦ２の外周面と外周側面３ｃとを高さ方向に亘って極力近接させることができる。

また、攪拌ピンＦ２のみをジャケット本体２のみに接触させて摩擦攪拌接合を行うため、攪拌ピンＦ２の回転中心軸Ｃを挟んで一方側と他方側で、攪拌ピンＦ２が受ける材料抵抗の不均衡をなくすことができる。これにより、塑性流動材がバランス良く摩擦攪拌されるため、接合強度の低下を抑制することができる。

また、本接合工程では、攪拌ピンＦ２と凸部２０とを接触させた状態で摩擦攪拌を行うため、第一突合せ部Ｊ１の金属不足を防ぐことができる。また、本接合工程では、第一回転ツールＦの回転方向及び進行方向は適宜設定すればよいが、第一回転ツールＦの移動軌跡に形成される塑性化領域Ｗのうち、封止体３側がシアー側となり、ジャケット本体２側がフロー側となるように第一回転ツールＦの回転方向及び進行方向を設定した。これにより、第一突合せ部Ｊ１の周囲における攪拌ピンＦ２による攪拌作用が高まり、第一突合せ部Ｊ１における温度上昇が期待でき、第一突合せ部Ｊ１において段差側面１２ｂと封止体３の外周側面３ｃとをより確実に接合することができる。

なお、シアー側（Advancing side）とは、被接合部に対する回転ツールの外周の相対速度が、回転ツールの外周における接線速度の大きさに移動速度の大きさを加算した値となる側を意味する。一方、フロー側（Retreating side）とは、回転ツールの移動方向の反対方向に回転ツールが回動することで、被接合部に対する回転ツールの相対速度が低速になる側を言う。

塑性化領域Ｗのうち融点が高い封止体３側がフロー側となると、第一突合せ部Ｊ１での塑性化領域Ｗのうち封止体３側の温度が低下して、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進されず、接合不良となるおそれがある。そこで、入熱量を大きくするように接合条件を調節すると、シアー側となっているジャケット本体２側からバリが過剰に発生して接合欠陥となる。

しかし、本実施形態のように、塑性化領域Ｗのうち、融点が高い封止体３（銅又は銅合金）側がシアー側となるように設定することで、塑性化領域Ｗのうち封止体３側の温度を比較的高温に保つことが可能となり、異なる金属同士の界面における相互拡散が促進され、接合不良となるのを防ぐことができる。

また、ジャケット本体２のアルミニウム合金をアルミニウム合金鋳造材とし、封止体３の銅又は銅合金を銅又は銅合金展伸材とすることが好ましい。アルミニウム合金を例えば、ＪＩＳＨ５３０２ ＡＤＣ１２等のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系アルミニウム合金鋳造材とすることにより、ジャケット本体２の鋳造性、強度、被削性等を高めることができる。また、銅又は銅合金によれば、耐食性、熱伝導性等を高めることができる。

また、本実施形態では、攪拌ピンＦ２の全体に螺旋溝を設けるとともに、攪拌ピンＦ２の先端面Ｆ３を段差底面１２ａの高さ位置よりも深く挿入しているため、第一突合せ部Ｊ１の深さ方向の全体に亘って接合することができる。また、封止体３の板厚寸法を、段差側面１２ｂの高さ寸法よりも大きく設定している。これにより、封止体３に配置される発熱体の熱交換効率を高めることができる。また、本実施形態によれば、第一回転ツールＦを封止体３に接触させないため、封止体３の表面３ａに塑性化領域Ｗが露出するのを防ぐことができる。

［第一変形例］
次に、第一実施形態の第一変形例について説明する。第一変形例では、図５に示すように、第二回転ツールＭを使用する点で第一実施形態と相違する。

第二回転ツールＭは、攪拌ピンＭ２を含んで構成されている。攪拌ピンＭ２は、本体部Ｍ２ａと、先端部Ｍ２ｂとで構成されている。攪拌ピンＭ２は、例えば、工具鋼で形成されている。本体部Ｍ２ａは、円柱状を呈する。先端部Ｍ２ｂは、先細りになっており本体部Ｍ２ａの先端に形成されている。先端部Ｍ２ｂの先端には平坦な先端面Ｍ３が形成されている。先端部Ｍ２ｂには、長さ方向の全体に亘って、第一回転ツールＦと同様に螺旋溝が刻設されている。螺旋溝が形成されている領域の長さ寸法Ｄ（攪拌ピンＭ２の先端部Ｍ２ｂのうち螺旋溝が形成されている領域の斜面の長さ）は、段差側面１２ｂの高さ寸法よりも大きく設定されている。

本接合工程では、第一実施形態と同じ要領で、第二回転ツールＭの攪拌ピンＭ２のみをジャケット本体２のみに接触させた状態で、摩擦攪拌接合を行う。攪拌ピンＭ２の先端面Ｍ３は、段差底面１２ａの高さ位置よりも深くなるように設定する。

以上説明した変形例であっても第一実施形態と略同等の効果を奏することができる。また、本実施形態によれば、本体部Ｍ２ａと封止体３の外周側面３ｃとの間に隙間を大きく確保することができるため、封止体３の外周側面３ｃと本体部Ｍ２ａとの接触を確実に回避することができる。また、先端部Ｍ２ｂの螺旋溝が形成されている領域の長さ寸法Ｄ（攪拌ピンＭ２の先端部Ｍ２ｂのうち螺旋溝が形成されている領域の斜面の長さ）を、段差側面１２ｂの高さ寸法よりも大きくしつつ、攪拌ピンＭ２の先端面Ｍ３を段差底面１２ａの高さ位置よりも深くなるように設定して摩擦攪拌を行うため、第一突合せ部Ｊ１の深さ方向の全体を確実に接合することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。本実施形態では、第一回転ツールＦの挿入深さが第一実施形態と相違する。本実施形態では、第一実施形態と相違する部分について説明する。

本接合工程では、図６に示すように、攪拌ピンＦ２の挿入深さを攪拌ピンＦ２の先端面Ｆ３が段差底面１２ａの高さ位置よりも高くなるように設定する。このようにしても、第一実施形態と概ね同等の効果を奏することができる。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。第三実施形態では、図７に示すように、回転ツールを封止体３にわずかに接触させる点で第一実施形態と相違する。本実施形態では、第一実施形態と相違する点を中心に説明する。

本実施形態に係る本接合工程では、第二回転ツールＭを用いる。本接合工程では、第二回転ツールＭの攪拌ピンＭ２を第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させ、封止体３の周りで一周させる。本接合工程では、攪拌ピンＭ２の回転中心軸Ｃを封止体３の外周側面３ｃ（鉛直面）に対してジャケット本体２の外側に傾斜角度γ傾斜させている。第一回転ツールＦの回転中心軸Ｃを封止体３の外周側面３ｃに対して傾斜させる傾斜角度γは、回転中心軸Ｃと攪拌ピンＦ２の外周面とのなす傾斜角度αと同じになっており、外周側面３ｃと外周側面３ｃに臨む先端部Ｍ２ｂの外周面とは平行である。また、攪拌ピンＭ２の挿入深さは、先端面Ｆ３が段差底面１２ａの高さ位置よりも深くなるように設定している。

また、本接合工程では、攪拌ピンＭ２を第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる際に、攪拌ピンＭ２の先端部Ｍ２ｂの外周面を封止体３の外周側面３ｃにわずかに接触させて摩擦攪拌接合を行う。

ここで、封止体３の外周側面３ｃに対する攪拌ピンＭ２の先端部Ｍ２ｂの外周面の接触代をオフセット量Ｎとする。本実施形態のように、先端部Ｍ２ｂの外周面を封止体３の外周側面３ｃに接触させ、かつ、攪拌ピンＭ２の先端面Ｍ３を段差底面１２ａよりも深く挿入する場合は、オフセット量Ｎを、０＜Ｎ≦０．５ｍｍの間で設定し、好ましくは０＜Ｎ≦０．２５ｍｍの間で設定する。

図１１に示す従来の液冷ジャケットの製造方法であると、ジャケット本体１０１と封止体１０２とで硬度が異なるため、回転中心軸Ｃを挟んで一方側と他方側とで攪拌ピンＦ２が受ける材料抵抗も大きく異なる。そのため、塑性流動材がバランス良く攪拌されず、接合強度が低下する要因になっていた。しかし、図７に示す本実施形態によれば、攪拌ピンＭ２の先端部Ｍ２ｂの外周面と封止体３の外周側面３ｃとの接触代を極力小さくしているため、封止体３からジャケット本体２への銅又は銅合金の混入を極力少なくすることができる。また、本実施形態では、第二回転ツールＭの回転中心軸Ｃの封止体３の外周側面３ｃに対する傾斜角度γを、攪拌ピンＭ２の先端部Ｍ２ｂの外周面の回転中心軸Ｃに対する傾斜角度αに一致させて、先端部Ｍ２ｂの外周面と封止体３の外周側面３ｃとを平行にしているため、先端部Ｍ２ｂの外周面と段差側面１２ｂとの接触代を高さ方向に亘って均一にすることができる。これにより、本実施形態では、塑性流動材がバランス良く攪拌されるため、接合部の強度低下を抑制することができる。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。本実施形態では、第二回転ツールＭの挿入深さが第三実施形態と相違する。本実施形態では、第三実施形態と相違する部分について説明する。

本接合工程では、図８に示すように、攪拌ピンＭ２の挿入深さを攪拌ピンＭ２の先端面Ｍ３が段差底面１２ａの高さ位置よりも高くなるように設定する。このようにしても、第三実施形態と概ね同等の効果を奏することができる。

［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法について説明する。図９及び図１０に示すように、本実施形態では、段差側面１２ｂが傾斜している点で他の実施形態と主に相違する。本実施形態では相違する部分を中心に説明する。

本実施形態に係る準備工程では、図９に示すように、段差底面１２ａと、段差底面１２ａから開口部に向かうにつれて広がるように、外側に傾斜する段差側面１２ｂとを備える段差部１２を形成する。周壁部１１の端面１１ａには、段差側面１２ｂに沿う凸部２０を形成する。凸部２０は断面視台形を呈する。凸部２０の側面と段差側面１２ｂとは面一になっている。封止体３の外周側面３ｃと、段差側面１２ｂとが突き合わされることにより、第一突合せ部Ｊ１が形成される。封止体３の外周側面３ｃと段差側面１２ｂとの間には断面Ｖ字状の隙間が形成されている。

本接合工程では、図１０に示すように、第二回転ツールＭを用いて、第一実施形態と同じ要領で第一突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌接合を行う。本接合工程では、攪拌ピンＭ２の先端部Ｍ２ｂを周壁部１１の端面１１ａに挿入し、封止体３の外周側面３ｃには接触させずに第一突合せ部Ｊ１に沿って相対移動させる。つまり、封止体３の外周側面３ｃと先端部Ｍ２ｂの外周側面とは離間させた状態で摩擦攪拌接合を行う。第二回転ツールＭの傾斜角度及び封止体３と先端部Ｍ２ｂとの離間距離Ｌ等の条件は第一実施形態と同じ要領で行う。

本実施形態であっても、第一実施形態と概ね同じ効果を奏することができる。また、本実施形態によれば、本接合工程によって周壁部１１が塑性流動化するため、第一突合せ部Ｊ１の隙間をアルミニウム合金で埋めることができる。また、本実施形態によれば、段差側面１２ｂをジャケット本体２に対して外側に傾斜させている。これにより、ジャケット本体２をダイキャスト鋳造によって製造する場合に、傾斜する段差側面１２ｂを設けることでジャケット本体２を金型から容易に離脱させることができるとともに、傾斜する段差側面１２ｂを容易に形成することができる。なお、本実施形態のように段差側面１２ｂに傾斜を設けることについては、第二〜第四実施形態にも適用することができる。また、凸部２０を設けることにより、第一突合せ部Ｊ１の隙間を充填することができる。

以上、本発明の実施形態及び変形例について説明したが、適宜設計変更が可能である。例えば、凸部２０は省略してもよい。

１ 液冷ジャケット
２ ジャケット本体
３ 封止体
３ｃ 外周側面
１２ 段差部
１２ａ 段差底面
１２ｂ 段差側面
Ｆ 第一回転ツール
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｆ３ 先端面
Ｍ 第二回転ツール
Ｍ２ 攪拌ピン
Ｊ１ 第一突合せ部
Ｊ２ 第二突合せ部
Ｗ 塑性化領域

Claims (11)

1. 底部、前記底部から立ち上がる周壁部を備えるジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を攪拌ピンを備える回転ツールを用いて接合する液冷ジャケットの製造方法であって、
   前記ジャケット本体はアルミニウム合金によって形成されており、前記封止体は銅又は銅合金によって形成されており、
   前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、
   前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、
   前記ジャケット本体に前記封止体を載置し、前記段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ジャケット本体のみに接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、
   前記本接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸を前記ジャケット本体の周壁部側に傾斜させ、前記封止体の前記外周側面に対する前記回転ツールの回転中心軸の傾斜角度をγとし、前記攪拌ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝αにした状態で摩擦攪拌接合方法を行うことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
2. 底部、前記底部から立ち上がる周壁部を備えるジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を攪拌ピンを備える回転ツールを用いて接合する液冷ジャケットの製造方法であって、
   前記ジャケット本体はアルミニウム合金によって形成されており、前記封止体は銅又は銅合金によって形成されており、
   前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、
   前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、
   前記ジャケット本体に前記封止体を載置し、前記段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ジャケット本体に接触させるとともに、前記封止体の前記外周側面にもわずかに接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って前記回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、
   前記本接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸を前記ジャケット本体の周壁部側に傾斜させ、前記封止体の前記外周側面に対する前記回転ツールの回転中心軸の傾斜角度をγとし、前記攪拌ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝αにした状態で摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
3. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部を備えるジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を攪拌ピンを備える回転ツールを用いて接合する液冷ジャケットの製造方法であって、
   前記ジャケット本体はアルミニウム合金によって形成されており、前記封止体は銅又は銅合金によって形成されており、
   前記攪拌ピンは、先細りとなるように傾斜する外周面を備えるとともに平坦な先端面を備え、
   前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、
   前記ジャケット本体に前記封止体を載置し、前記段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ジャケット本体のみに接触させ、前記攪拌ピンの先端を前記段差底面の高さ位置よりも深く挿入するとともに、前記攪拌ピンの前記外周面と前記封止体の前記外周側面とを離間させた状態で前記第一突合せ部に沿って回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、
   前記本接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸を前記ジャケット本体の周壁部側に傾斜させ、前記封止体の前記外周側面に対する前記回転ツールの回転中心軸の傾斜角度をγとし、前記攪拌ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度をαとすると、γ＝αにした状態で摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
4. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部を備えるジャケット本体と、前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体と、を攪拌ピンを備える回転ツールを用いて接合する液冷ジャケットの製造方法であって、
   前記ジャケット本体はアルミニウム合金によって形成されており、前記封止体は銅又は銅合金によって形成されており、
   前記攪拌ピンは、先細りとなるように傾斜する外周面を備えるとともに平坦な先端面を備え、
   前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、
   前記ジャケット本体に前記封止体を載置し、前記段差側面と前記封止体の外周側面とを突き合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第二突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンのみを前記ジャケット本体に接触させ、回転する前記回転ツールの前記攪拌ピンの先端を前記段差底面の高さ位置よりも深く挿入するとともに、前記攪拌ピンの前記外周面を前記封止体の前記外周側面にわずかに接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って前記回転ツールを一周させて摩擦攪拌接合を行う本接合工程と、を含み、
   前記本接合工程では、前記回転ツールの回転中心軸を前記ジャケット本体の周壁部側に傾斜させ、前記封止体の前記外周側面に対する前記回転ツールの回転中心軸の傾斜角度をγとし、前記攪拌ピンの外周面の前記回転中心軸に対する傾斜角度αとすると、γ＝αにした状態で摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
5. 前記準備工程では、前記周壁部の端面に、前記段差側面に沿う凸部を形成し、
   前記本接合工程では、前記攪拌ピンと前記凸部とを接触させた状態で摩擦攪拌を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
6. 前記封止体の板厚を、前記段差側面の高さ寸法よりも大きくすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
7. 前記攪拌ピンの外周面に螺旋溝を設け、当該螺旋溝が形成されている領域の長さ寸法を、前記段差側面の高さ寸法よりも大きくすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
8. 前記ジャケット本体は、アルミニウム合金鋳造材で形成することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
9. 前記回転ツールの外周面に基端側から先端側に向かうにつれて左回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを右回転させ、
   前記回転ツールの外周面に基端側から先端側に向かうにつれて右回りの螺旋溝を刻設した場合、前記回転ツールを左回転させることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
10. 前記本接合工程では、前記回転ツールの移動軌跡に形成される塑性化領域のうち、前記ジャケット本体側がフロー側となり、前記封止体側がシアー側となるように前記回転ツールの回転方向及び進行方向を設定することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
11. 前記準備工程では、前記周壁部の内周縁に、段差底面と、当該段差底面から前記開口部に向かって広がるように斜めに立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成し、
    前記本接合工程では、前記段差側面と前記封止体の外周側面との間の隙間を塑性流動材で埋めることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。

Images