JP2019206026A - 摩擦攪拌接合装置及び冷却器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ツール挿入深さを高精度に管理し、摩擦攪拌接合による接合部の品質を向上させた摩擦攪拌接合装置及び冷却器の製造方法を提供する。
【解決手段】摩擦攪拌接合装置は、被接合部材を摩擦熱により摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置であって、回転する主軸のホルダーに取り付けられ、本体とこの本体の先端に設けられたプローブと本体の外周面に設けられたマーク部とにより構成されたツールと、本体のマーク部を検出することにより、マーク部から本体のプローブ側の端部までのツールの高さを測定する測定装置と、測定装置により測定された高さから被接合部材へのツールの挿入深さを確認すると共に高さを調整する制御装置と、を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本願は、摩擦攪拌接合装置及び冷却器の製造方法に関するものである。

摩擦攪拌接合（ＦＳＷ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）は金属接合技術の一つであり、被接合部材にツールと呼ばれる接合工具を回転させながら挿入し、ツールを移動させて接合部を攪拌することにより被接合部材を固相接合する方法である。この摩擦攪拌接合によれば、溶融温度以下で被接合部材の接合が可能であるため、金属組織の変態による接合部の強度低下または変形が小さいなど多くの利点がある。

従来、摩擦攪拌接合に使用される一般的なツールは、円柱状のツール本体とプローブで構成されており、摩擦攪拌接合においては、被接合部材へのツール挿入深さ（ツール位置）が接合部の品質に影響を与える。
また、従来の摩擦攪拌接合装置では、測定装置によりプローブの先端から所定位置までのツール長さを測定し、そのツール長さと基準長さとを比較してツール長さの変化量を算出し、その変化量に基づいてツール挿入深さ（ツール位置）を判断していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２‐３４６７６９号公報

しかしながら、前述した特許文献１に開示された摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法では、例えばアルミニウムを含む材料である被接合部材を摩擦熱で接合するので、プローブの先端にアルミニウムなどが付着した場合、ツール挿入深さ（ツール位置）を高精度に管理できない。したがって、前述した特許文献１に開示された摩擦攪拌接合装置および摩擦攪拌接合方法では、正確なツール長さを基準にしたツール挿入深さ（ツール位置）で摩擦攪拌接合をすることができないため、接合部に欠陥が発生し品質が低下する問題があった。

本願は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、ツール挿入深さ（ツール位置）を高精度に管理し、摩擦攪拌接合による接合部の品質を向上させた摩擦攪拌接合装置及び冷却器の製造方法を得ることを目的とする。

本願に開示される摩擦攪拌接合装置は、被接合部材を摩擦熱により摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置であって、回転する主軸のホルダーに取り付けられ、本体とこの本体の先端に設けられたプローブと前記本体の外周面に設けられたマーク部とにより構成されたツールと、前記本体の前記マーク部を検出することにより、前記マーク部から前記本体の前記プローブ側の端部までの前記ツールの高さを測定する測定装置と、前記測定装置により測定された高さから前記被接合部材への前記ツールの挿入深さを確認すると共に高さを調整する制御装置と、を備えたものである。
また、本願に開示される冷却器の製造方法は、本願に開示される摩擦攪拌接合装置を用いて前記被接合部材であるヒートシンクとウォータージャケットを前記ツールにより摩擦攪拌接合する冷却器の製造方法であって、前記ヒートシンクと前記ウォータージャケットを配置する第１の工程と、前記ヒートシンクおよび前記ウォータージャケットに回転する前記ツールを挿入する第２の工程と、回転する前記ツールを移動させ、前記ヒートシンクと前記ウォータージャケットとの接合部を攪拌することにより摩擦攪拌接合する第３の工程と、を備えたものである。

本願に開示される摩擦攪拌装置及び冷却器の製造方法によれば、ツール挿入深さ（ツール位置）を高精度に管理し、摩擦攪拌接合による接合部の品質を向上させた摩擦攪拌接合装置及び冷却器の製造方法を得ることができる。

実施の形態１による摩擦攪拌接合装置を示す概略図である。 実施の形態１による摩擦攪拌接合装置を示す概略図である。 図１のツールを示す拡大断面図である。 図１の摩擦攪拌接合装置よる接合プロセスを示すフローチャートである。 図１の摩擦攪拌接合装置により接合された冷却器の上面図である。 図５のＡ‐Ａ線断面図である。 実施の形態２によるツールを示す拡大断面図である。

実施の形態１．
以下、図面に基づいて実施の形態１について説明する。なお、各図面において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

図１および図２は、実施の形態１による摩擦攪拌接合装置を示す概略図である。図１は被接合部材を摩擦熱により摩擦攪拌接合する前の状態を示しており、図２は摩擦攪拌接合中の状態を示す。また、図３は、図１および図２のツールを示す拡大断面図である。
図３に示すように、実施の形態１のツール３は、ツール本体７とツール本体７の先端に設けられたプローブ８により構成されている。摩擦攪拌接合においては、プローブ８を被接合部材６である金属または樹脂の内部に挿入し、その際にかき出された金属または樹脂をショルダー９で抑えて接合する。

ショルダー９は、被接合部材６の表面に接触する程度まで押し込まれる。具体的には、ショルダー９は、摩擦攪拌接合の際にＢ‐Ｂ線まで被接合部材６の内部に挿入される。例えばショルダー９は、被接合部材６に対して０．１ｍｍ程度の深さまで挿入される。ツール３において、プローブ８とショルダー９は、摩擦攪拌接合による摩擦攪拌接合部１２の形成に寄与する。また、ショルダー９は、ツール本体７の回転軸１５に向かって窪む方向に傾斜して形成されている。なお、ツール３は、ツール本体７とプローブ８が別部品である必要はなく、ツール本体７とプローブ８が一体化されたツール本体‐プローブ一体型のショルダーレスツールでもよい。

実施の形態１のツール３には、ツール本体７のプローブ８側の端部であるショルダー９から１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下離れた位置にマーク部１４が設けられている。マーク部１４は、ツール本体７の外周面の接合に寄与しない部分に設けられている。ここで、接合に寄与しない部分とは、ツール３において被接合部材６に挿入されない部分である。また、マーク部１４は、幅（Ｗ）が０．１ｍｍ以上、深さ（Ｄ）が０．１ｍｍ以上の切欠きであり、後述するレーザ変位計で検出可能な幅（Ｗ）と深さ（Ｄ）を備えている。またマーク部１４は、ツール本体７の外周面全周に亘って設けられた、幅（Ｗ）が０．１ｍｍ以上、深さ（Ｄ）が０．１ｍｍ以上のライン状の溝である。マーク部１４には、溝の角部であるエッジ１６が設けられている。マーク部１４である切欠きはエッジ１６を備えたことで、位置検出能力を向上させることができる。また、エッジ１６は、丸み（Ｒ）を有してもよい。エッジ１６の丸み（Ｒ）は、例えば０．１ｍｍ以下であればレーザ変位計で高精度な位置検出が可能である。

また、切欠きは外周面全周に亘って設けられたライン状の溝である必要はなく、例えば、幅（Ｗ）が０．１ｍｍ以上、深さ（Ｄ）が０．１ｍｍ以上の一部分のみの凹形状の溝であってもよい。
実施の形態１においては、マーク部１４である切欠きを後述するレーザ変位計などで検出する。具体的には、ツール３の側面側から後述するレーザ変位計などの測定装置４でマーク部１４のエッジ１６を有する部分と深さ（Ｄ）の底面部分を測定することでマーク部１４の高さを測定し、マーク部１４を検出する。そして、マーク部１４を検出することにより、マーク部１４からツール本体７のプローブ８側の端部までのツール高さ１７を測定する。

実施の形態１においては、ツール３において接合に寄与しない（被接合部材６に挿入されない）部分に位置検出用のマーク部１４を設けた。よって、被接合部材６の金属などが付着したプローブ８の先端をツール挿入深さ（ツール位置）の制御に使用しないので、ツール挿入深さ（ツール位置）の安定した測定ができる。

図１および図２に示すように、摩擦攪拌接合装置３０は、ツールホルダー２に取り付けられたツール３に回転運動を付与する主軸１と、主軸１を例えばＺ方向に移動させる移動機構（図示せず）と、被接合部材６を載置し、例えばＸＹ方向に移動させるステージ（図示せず）と、マーク部１４を検出することによりツール３のツール高さ１７を測定する例えばレーザ変位計である測定装置４と、測定装置４により測定されたツール高さ１７の測定値からツール挿入深さ（ツール位置）を確認する制御装置５とを備えている。ここで、Ｚ方向は摩擦攪拌接合装置３０における高さ方向（上下方向）であり、ＸＹ方向は紙面奥行を含む平面方向（左右方向、前後方向）である。

図２に示すように、ツール３はショルダー９が埋まる例えばＢ‐Ｂ線まで被接合部材６の内部に挿入される。ツール３は、主軸１のツールホルダー２でハンドリングされ保持されている。そして、ツール本体７の外周面に設けられたマーク部１４をツール本体７の側面側からレーザ変位計等の測定装置４で検出することにより、マーク部１４からツール本体７のプローブ８側の端部までのツール高さ１７を測定する。そして、測定装置４により測定されたツール高さ１７から被接合部材６へのツール３のツール挿入深さ（ツール位置）を確認すると共にツール高さ１７を調整する。

実施の形態１の摩擦攪拌接合装置３０においては、摩擦攪拌接合中もツール３のツール高さ１７を監視することができる。したがって、摩擦攪拌接合中に測定値の変動が発生した場合であっても、制御装置５にフィードバックをかけてツール高さ１７の調整をおこなうことでツール挿入深さ（ツール位置）を調整することができる。マーク部１４は、レーザ変位計などの測定装置４によりエッジ１６の有無を測定することにより検出される。そして、測定装置４によりマーク部１４を検出することにより、ツール３のマーク部１４からツール本体７の端部までのツール高さ１７を測定する。

図４は、図１の摩擦攪拌接合装置による摩擦攪拌接合プロセスを示すフローチャートである。以下、図４を用いて、実施の形態１の摩擦攪拌接合方法について説明する。図４に示すように、ツール３を回転させながら被接合部材６に挿入する。回転するツール３を移動させて、摩擦攪拌接合している間においても、マーク部１４の検出によるツール高さ１７の測定は続行される。マーク部１４を検出することによりツール高さ１７を測定し、ツール挿入深さ（ツール位置）の確認を行う。ツール挿入深さ（ツール位置）に問題がなく、制御装置５がＯＫと判断した場合は、摩擦攪拌接合は続行される。接合終了位置に到達した場合、ツール３は被接合部材６から抜去される。

一方、ツール３のツール挿入深さ（ツール位置）の確認において制御装置５がＮＧと判断した場合は、ツール高さ１７を調整して、再度ツール高さ１７が測定され、ツール挿入深さ（ツール位置）の確認が行われる。また、接合終了位置がＮＯの場合は、再度ツール高さ１７が測定される。
実施の形態１の摩擦攪拌接合方法においては、摩擦攪拌接合の処理中であってもマーク部１４の位置を検出し、ツール高さ１７を測定できる。したがって、このツール高さ１７の測定値を制御装置５にフィードバックをかけながら、ツール挿入深さ（ツール位置）を確認し、インプロセスでツール挿入深さ（ツール位置）を制御できる。

図５は、実施の形態１の摩擦攪拌接合装置により接合された冷却器の上面図である。また、図６は、図５のＡ‐Ａ断面図である。
実施の形態１の摩擦攪拌接合装置３０は、例えば、車載用インバータの冷却器２０であるウォータージャケット１０と半導体モジュール１３が搭載されたヒートシンク１１の摩擦攪拌接合に用いられる。
図５および図６に示す冷却器２０は、図１および図２に示す摩擦攪拌接合装置３０により、被接合部材６であるウォータージャケット１０とヒートシンク１１を図４に示した摩擦攪拌接合方法により摩擦攪拌接合されることで製造される。

実施の形態１の冷却器の製造方法は、ヒートシンク１１とウォータージャケット１０を重ね合わせて配置し、ヒートシンク１１にツール３を回転させながら押し込み、ウォータージャケット１０に達するまで挿入する。そして、回転するツール３を移動させ、ヒートシンク１１とウォータージャケット１０の接合線に沿って攪拌することにより摩擦攪拌接合部１２を形成する。摩擦攪拌接合部１２を形成することにより、ヒートシンク１１とウォータージャケット１０は摩擦攪拌接合される。なお、冷却器２０に搭載された半導体モジュール１３は、冷却器２０の形成の後で搭載されてもよい。また、被接合部材６であるウォータージャケット１０とヒートシンク１１は突き合わせて配置してもよい。また、摩擦攪拌接合部１２は、被接合部材６の重ね合わせ部に形成されても突き合わせ部に形成されてもよい。

ツール高さ１７は、冷却器２０のプロセス処理中も継続して測定される。また、ヒートシンク１１およびウォータージャケット１０へのツール挿入深さについても、冷却器２０のプロセス処理中も継続して確認され、ツール高さ１７が調整される。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２によるツールを示す拡大断面図である。実施の形態２においては、ツール本体７の幅を例えばＤ１＞Ｄ２のように異ならせることによって、ツール本体７に段差を設けた。実施の形態２では、この段差がマーク部１４となる。実施の形態２においては、段差であるマーク部１４を検出して、段差に設けられたエッジ１６からツール高さ１７を測定する。マーク部１４は、角部のエッジ１６が精度よく形成されていればよい。実施の形態２による摩擦攪拌接合装置３０においても実施の形態１と同様に、測定装置４によりマーク部１４を検出することにより、ツール３のマーク部１４からツール本体７の端部までのツール高さ１７を測定する。よって、ツール３のツール挿入深さ（ツール位置）を摩擦攪拌接合中もインプロセスで制御することができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 主軸、２ ツールホルダー、３ ツール、４ 測定装置、５ 制御装置、６ 被接合部材、７ ツール本体、８ プローブ、９ ショルダー、１０ ウォータージャケット、１１ ヒートシンク、１２ 摩擦攪拌接合部、１３ 半導体モジュール、１４ マーク部、１５ 回転軸、１６ エッジ、１７ ツール高さ、２０ 冷却器、３０ 摩擦攪拌接合装置

Claims (8)

1. 被接合部材を摩擦熱により摩擦攪拌接合する摩擦攪拌接合装置であって、
   回転する主軸のホルダーに取り付けられ、本体とこの本体の先端に設けられたプローブと前記本体の外周面に設けられたマーク部とにより構成されたツールと、
   前記本体の前記マーク部を検出することにより、前記マーク部から前記本体の前記プローブ側の端部までの前記ツールの高さを測定する測定装置と、
   前記測定装置により測定された高さから前記被接合部材への前記ツールの挿入深さを確認すると共に高さを調整する制御装置と、を備えたことを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
2. 前記測定装置は、レーザ変位計であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
3. 前記マーク部は、エッジを有する切欠きまたは段差であることを特徴する請求項１または請求項２に記載の摩擦攪拌接合装置。
4. 前記マーク部は、前記本体の外周面全周に亘って設けられたライン状の溝であることを特徴する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
5. 前記マーク部は、前記本体の前記プローブ側の端部から１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下離れた位置に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の摩擦攪拌接合装置を用いて前記被接合部材であるヒートシンクとウォータージャケットを前記ツールにより摩擦攪拌接合する冷却器の製造方法であって、
   前記ヒートシンクと前記ウォータージャケットを配置する第１の工程と、
   前記ヒートシンクおよび前記ウォータージャケットに回転する前記ツールを挿入する第２の工程と、
   回転する前記ツールを移動させ、前記ヒートシンクと前記ウォータージャケットとの接合部を攪拌することにより摩擦攪拌接合する第３の工程と、を備えたことを特徴とする冷却器の製造方法。
7. 前記ツールの高さは、前記第１の工程から前記第３の工程の処理中に測定されることを特徴とする請求項６に記載の冷却器の製造方法。
8. 前記ヒートシンクおよび前記ウォータージャケットへの前記ツールの挿入深さは、前記第１の工程から前記第３の工程の処理中に確認され、前記ツールの高さが調整されることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の冷却器の製造方法。

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