JP2021133408A - 液冷ジャケットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液冷ジャケットの接合強度を高めることができるとともに、低コストで製造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】ジャケット本体２と、ジャケット本体２の開口部を封止する封止体３とで構成され、ジャケット本体２と封止体３とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法であって、第一本接合工程において、ジャケット本体２の底部１０と封止体３の表面３ａとを両外側から一対の保持部２２で押圧して保持しつつ、回転ツールＦの先端側ピンＦ３を封止体３の表面３ａから挿入し、先端側ピンＦ３の平坦面Ｆ４を封止体３のみに接触させるとともに、突起部Ｆ５の先端面を周壁部１１のみに接触させつつ、基端側ピンＦ２の外周面を表面３ａに接触させた状態で、保持部２２を用いてジャケット本体２及び封止体３を回転又は平行移動させて、ジャケット本体２と封止体３とを摩擦攪拌することを特徴とする。【選択図】図９

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、ジャケット本体と、ジャケット本体の開口部を封止する封止体とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法が開示されている。当該液冷ジャケットの製造方法では、ジャケット本体及び封止体の側面から垂直に回転ツールを挿入し、ジャケット本体の廻りに一周させて摩擦攪拌を行っている。

特開２０１８−６９３２２号公報

特許文献１に係る発明では、回転ツールとジャケット本体の側面とを垂直にした状態で回転ツールをジャケット本体廻りに一周させるため、回転ツールを、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アームロボットに取り付けるなどして、回転ツールの回転中心軸線の角度や挿入位置を変更・調整する必要がある。このため回転ツールを駆動させるための装置等の付帯設備に費用がかかり、結果的に製造コストが高くなるという問題がある。また、液冷ジャケットには、金属部材同士の接合強度をさらに高めることも望まれている。

このような観点から、本発明は、液冷ジャケットの接合強度を高めることができるとともに、低コストで製造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。

前記課題を解決するために、本発明は、底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有す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で構成され、前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法であって、摩擦攪拌で用いる回転ツールは、基端側ピンと、先端側ピンとを備え、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記先端側ピンは、先端側に前記回転ツールの回転中心軸線に垂直な平坦面を備えるとともに、さらに前記平坦面から突出する突起部を備え、前記ジャケット本体に前記封止体を載置することにより前記周壁部の端面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記支柱の端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先端側ピンを前記封止体の表面から挿入し、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記周壁部のみに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記封止体の表面に接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って所定の深さで前記周壁部の廻りに相対的に一周させて前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一本接合工程と、を含み、前記第一本接合工程において、前記ジャケット本体の前記底部と前記封止体の表面とを両外側から一対の保持部で押圧して保持しつつ、前記保持部を用いて前記ジャケット本体及び前記封止体を回転又は平行移動させて前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌することを特徴とする。

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及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、前記支柱の先端が挿入される孔部を備えるとともに前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体とで構成され、前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法であって、摩擦攪拌で用いる回転ツールは、基端側ピンと、先端側ピンとを備え、前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、前記先端側ピンは、先端側に前記回転ツールの回転中心軸線に垂直な平坦面を備えるとともに、さらに前記平坦面から突出する突起部を備え、前記支柱の先端に段差底面と当該段差底面から立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成するとともに、前記支柱の段差底面を前記周壁部の端面と同一の高さ位置に形成し、前記封止体の厚みを前記段差側面よりも大きく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することにより前記周壁部の端面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記支柱の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せて段差側面突合せ部を形成し、前記支柱の段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて段差底面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先端側ピンを前記封止体の表面に挿入し、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記周壁部のみに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記封止体の表面に接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って所定の深さで前記周壁部の廻りに相対的に一周させて前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一本接合工程と、を含み、前記第一本接合工程において、前記ジャケット本体の前記底部と前記封止体の表面とを両外側から一対の保持部で押圧して保持しつつ、前記保持部を用いて前記ジャケット本体及び前記封止体を回転又は平行移動させて前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌することを特徴とする。

かかる製造方法によれば、ジャケット本体の底部と封止体の表面とを一対の保持部で保持した状態でジャケット本体及び封止体を回転又は平行移動させるため、第一本接合工程中に保持部と回転ツールとが干渉しない。つまり、ジャケット本体と封止体とを位置決めするための治具が回転ツールの移動の妨げにならない。これにより、回転ツールを駆動させるための装置等の付帯設備に費用を要せず、液冷ジャケットを低コストで製造することができる。また、基端側ピンの外周面で塑性流動材を押さえることができるため、バリの発生を抑制することができる。また、突起部に巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押えられるので、突起部周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに突合せ部の酸化被膜が確実に分断される。これにより、第一突合せ部の接合強度を高めることができる。

また、回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記封止体の表面から挿入し、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記支柱のみに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記封止体の表面に接触させた状態で前記回転ツールを相対的に移動させて前記第二突合せ部を摩擦攪拌する第二本接合工程と、をさらに含むことが好ましい。

また、回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記封止体の表面から挿入し、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体及び前記支柱に接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記支柱のみに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を少なくとも前記封止体の表面に接触させた状態で前記回転ツールを相対移動させて前記段差側面突合せ部を摩擦攪拌する第二本接合工程と、をさらに含むことが好ましい。

かかる製造方法によれば、接合強度を高めることができる。

また、前記第一本接合工程後に前記第二本接合工程を行うことが好ましい。

また、前記第二本接合工程後に前記第一本接合工程を行うことが好ましい。

また、前記第一本接合工程では、所定の回転速度で前記回転ツールを回転させて摩擦攪拌を行い、前記第一本接合工程において前記先端側ピンを離脱させるとき、前記所定の回転速度よりも徐々に回転速度を上げながら終了位置まで移動させることが好ましい。

また、前記第一本接合工程では、所定の回転速度で前記回転ツールを回転させて摩擦攪拌を行い、前記第一本接合工程において前記先端側ピンを挿入するとき、前記所定の回転速度よりも高い速度で前記先端側ピンを回転させた状態で挿入し、徐々に回転速度を下げながら前記第一突合せ部まで移動させることが好ましい。

かかる製造方法によれば、摩擦攪拌を好適に行うことができる。

本発明に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、液冷ジャケットの接合強度を高めることができるとともに、低コストで製造することができる。

本発明の実施形態に係る回転ツールを示す側面図である。 回転ツールの拡大断面図である。 回転ツールの第一変形例を示す断面図である。 回転ツールの第二変形例を示す断面図である。 回転ツールの第三変形例を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る液冷ジャケットの分解斜視図である。 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保持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摩擦攪拌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摩擦攪拌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第一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第二本接合工程を示す断面図である。 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の第二本接合工程を示す断面図である。

［回転ツール］
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。まずは、本実施形態に係る接合方法で用いる回転ツールについて説明する。図１に示すように、回転ツールＦは、例えば工具鋼で形成されており、基軸部Ｆ１と、基端側ピンＦ２と、先端側ピンＦ３とで主に構成されている。基軸部Ｆ１は、円柱状を呈し、摩擦攪拌装置の主軸に接続される部位である。なお、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。また、各実施形態における構成要素は一部又は全部を適宜組み合わせることができる。

基端側ピンＦ２は、基軸部Ｆ１に連続し、先端に向けて先細りになっている。基端側ピンＦ２は、円錐台形状を呈する。基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａは適宜設定すればよいが、例えば、１３５〜１６０°になっている。テーパー角度Ａが１３５°未満であるか、又は、１６０°を超えると摩擦攪拌後の接合表面粗さが大きくなる。テーパー角度Ａは、後記する先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂよりも大きくなっている。

図２に示すように、基端側ピンＦ２の外周面には、階段状のピン段差部Ｆ２１が高さ方向の全体に亘って形成されている。ピン段差部Ｆ２１は、右回り又は左回りで螺旋状に形成されている。つまり、ピン段差部Ｆ２１は、平面視して螺旋状であり、側面視すると階段状になっている。本第一実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、ピン段差部Ｆ２１は基端側から先端側に向けて左回りに設定している。

なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、ピン段差部Ｆ２１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、ピン段差部Ｆ２１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができ
る。ピン段差部Ｆ２１は、段差底面Ｆ２１ａと、段差側面Ｆ２１ｂとで構成されている。隣り合うピン段差部Ｆ２１の各頂点Ｆ２１ｃ，Ｆ２１ｃの距離Ｘ１（水平方向距離）は、後記する段差角度Ｃ及び段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１に応じて適宜設定される。

段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１は適宜設定すればよいが、例えば、０．１〜０．４ｍｍで設定されている。高さＹ１が０．１ｍｍ未満であると接合表面粗さが大きくなる。一方、高さＹ１が０．４ｍｍを超えると接合表面粗さが大きくなる傾向があるとともに、有効段差部数（被接合金属部材と接触しているピン段差部Ｆ２１の数）も減少する。

段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとでなす段差角度Ｃは適宜設定すればよいが、例えば、８５〜１２０°で設定されている。段差底面Ｆ２１ａは、本実施形態では水平面と平行になっている。段差底面Ｆ２１ａは、ツールの回転中心軸線Ｚから外周方向に向かって水平面に対して−５°〜１５°内の範囲で傾斜していてもよい（マイナスは水平面に対して下方、プラスは水平面に対して上方）。距離Ｘ１、段差側面Ｆ２１ｂの高さＹ１、段差角度Ｃ及び水平面に対する段差底面Ｆ２１ａの角度は、摩擦攪拌を行う際に、塑性流動材がピン段差部Ｆ２１の内部に滞留して付着することなく外部に抜けるとともに、段差底面Ｆ２１ａで塑性流動材を押えて接合表面粗さを小さくすることができるように適宜設定する。

図１に示すように、先端側ピンＦ３は、基端側ピンＦ２に連続して形成されている。先端側ピンＦ３は円錐台形状を呈する。先端側ピンＦ３の先端は回転中心軸線Ｚに対して垂直な平坦面Ｆ４になっている。また、先端側ピンＦ３は、平坦面Ｆ４から突出した突起部Ｆ５を備えている。突起部Ｆ５の形状は特に制限されないが、本実施形態では、円柱状になっている。突起部Ｆ５の側面と、平坦面Ｆ４とで段差部が形成されている。

先端側ピンＦ３のテーパー角度Ｂは、基端側ピンＦ２のテーパー角度Ａよりも小さくなっている。図２に示すように、先端側ピンＦ３の外周面には、螺旋溝Ｆ３１が刻設されている。螺旋溝Ｆ３１は、右回り、左回りのどちらでもよいが、本第一実施形態では回転ツールＦを右回転させるため、基端側から先端側に向けて左回りに刻設されている。

なお、回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝Ｆ３１を基端側から先端側に向けて右回りに設定することが好ましい。これにより、螺旋溝Ｆ３１によって塑性流動材が先端側に導かれるため、被接合金属部材の外部に溢れ出る金属を低減することができる。螺旋溝Ｆ３１は、螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成されている。隣り合う螺旋溝Ｆ３１の頂点Ｆ３１ｃ，Ｆ３１ｃの距離（水平方向距離）を長さＸ２とする。螺旋側面Ｆ３１ｂの高さを高さＹ２とする。螺旋底面Ｆ３１ａと、螺旋側面Ｆ３１ｂとで構成される螺旋角度Ｄは例えば、４５〜９０°で形成されている。螺旋溝Ｆ３１は、被接合金属部材と接触することにより摩擦熱を上昇させるとともに、塑性流動材を先端側に導く役割を備えている。

回転ツールＦは、適宜設計変更が可能である。図３は、本発明の回転ツールの第一変形例を示す側面図である。図３に示すように、第一変形例に係る回転ツールＦＡでは、ピン段差部Ｆ２１の段差底面Ｆ２１ａと段差側面Ｆ２１ｂとのなす段差角度Ｃが８５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは、水平面と平行である。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、段差角度Ｃは、摩擦攪拌中にピン段差部Ｆ２１内に塑性流動材が滞留して付着することなく外部に抜ける範囲で鋭角としてもよい。

図４は、本発明の回転ツールの第二変形例を示す側面図である。図４に示すように、第二変形例に係る回転ツールＦＢでは、ピン段差部Ｆ２１の段差角度Ｃが１１５°になっている。段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行になっている。このように、段差底面Ｆ２１ａは水平面と平行であるとともに、ピン段差部Ｆ２１として機能する範囲で段差角度Ｃが鈍角となってもよい。

図５は、本発明の回転ツールの第三変形例を示す側面図である。図５に示すように、第三変形例に係る回転ツールＦＣでは、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転中心軸線Ｚから外周方向に向かって水平面に対して１０°上方に傾斜している。段差側面Ｆ２１ｂは、鉛直面と平行になっている。このように、摩擦攪拌中に塑性流動材を押さえることができる範囲で、段差底面Ｆ２１ａがツールの回転中心軸線Ｚから外周方向に向かって水平面よりも上方に傾斜するように形成されていてもよい。上記の回転ツールの第一〜第三変形例によっても、下記の実施形態と同等の効果を奏することができる。

［第一実施形態］
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。第一実施形態に係る液冷ジャケット１は、図６に示すように、ジャケット本体２と封止体３とで構成されている。液冷ジャケット１は、内部に流体を流通させて、配置される発熱体を冷却する機器である。ジャケット本体２と封止体３とは摩擦攪拌接合で一体化される。以下の説明における「表面」とは、「裏面」の反対側の面を意味する。

ジャケット本体２は、底部１０及び周壁部１１で主に構成されている。ジャケット本体２は、摩擦攪拌可能な金属（アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金等）であればよいが、本実施形態ではアルミニウム合金で形成されている。

底部１０は、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の角は直角でもよいが、本実施形態では丸面取り加工が施されている。底部１０には、支柱１２が立ち上がっている。支柱１２の本数は特に制限されないが、本実施形態では２本になっている。支柱１２の端面１２ａは、周壁部１１の端面１１ａと同じ高さになっている。底部１０及び周壁部１１で凹部１３が形成されている。なお、本実施形態のジャケット本体２は一体形成されているが、例えば、周壁部１１を分割構成としてシール部材で接合して一体化してもよい。

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の角は直角でもよいが、本実施形態では丸面取り加工が施されている。封止体３は、摩擦攪拌可能な金属であれば特に制限されないが、本実施形態ではアルミニウム合金を主に含んで形成されている。

次に、本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。本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法では、準備工程と、載置工程と、第一本接合工程と、第二本接合工程と、を行う。

準備工程は、ジャケット本体２及び封止体３を準備する工程である。ジャケット本体２及び封止体３は、製造方法については特に制限されないが、ジャケット本体２は、例えば、ダイキャストで成形する。封止体３は、例えば押出成形により成形する。

載置工程は、図７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。載置工程によって、周壁部１１の端面１１ａと、封止体３の裏面３ｂ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、封止体３の周囲に沿って平面視矩形状に形成される。また、支柱１２の端面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。周壁部１１の側面１１ｃと、封止体３の側面３ｃとは面一になる。なお、ジャケット本体２と封止体３とは溶接又は摩擦攪拌等により仮接合してもよい。

第一本接合工程は、図８及び図９に示すように、回転ツールＦを用いて第一突合せ部Ｊ
１を摩擦攪拌接合する工程である。第一本接合工程では、保持工程と、摩擦攪拌工程とを行う。保持工程は、一対の保持部２２を備える挟持装置（治具）でジャケット本体２と封止体３とを両外側から押圧して挟持する。本実施形態では、保持部２２と底部１０との間、保持部２２と封止体３との間にそれぞれ中間プレート２１を介設している。保持部２２は円柱状を呈し、その端面が中間プレート２１，２１にそれぞれ面接触する。中間プレート２１を設けることで、保持部２２の押圧力を分散させて、ジャケット本体２及び封止体３を確実に保持することができる。なお、中間プレート２１は省略してもよい。

挟持装置の保持部２２とジャケット本体２及び封止体３とは同期して回転又は平行移動する。つまり、当該挟持装置は、ジャケット本体２の底部１０及び封止体３の表面３ａを保持部２２，２２でそれぞれ押圧し挟持した状態で、ジャケット本体２及び封止体３を周方向に回転させるとともに、上下、左右及び前後方向に直線移動させることができる。
回転ツールＦは、本実施形態では、水平方向及び上下方向に移動可能な摩擦攪拌装置に取り付けられている。なお、回転ツールＦは、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に取り付けてもよい。

第一本接合工程では、まず、摩擦攪拌装置に取り付けられた回転ツールＦを右回転させる。回転ツールＦの位置は、本実施形態では摩擦攪拌装置に対して相対移動しないように固定されている。つまり、回転ツールＦは摩擦攪拌装置に対して変位させず、回転ツールＦに対してジャケット本体２及び封止体３側を移動させて摩擦攪拌を行う。

次に、図８及び図９に示すように、ジャケット本体２及び封止体３を保持する保持工程を行い、挟持装置（治具）を用いてジャケット本体２及び封止体３を保持する。そして、挟持装置を操作して、封止体３の表面３ａ上に設定された開始位置ＳＰ１に回転ツールＦを挿入して摩擦攪拌工程を行う。摩擦攪拌工程では、押入区間と、本区間と、離脱区間とを連続して摩擦攪拌を行う。

押入区間は、封止体３の表面３ａ上に設定された開始位置ＳＰ１から封止体３の表面３ａ上に設定された中間点Ｓ１までの区間である。本区間は、中間点Ｓ１から封止体３の表面３ａの外周部を一周して中間点Ｓ１を通過した後、封止体３の表面３ａ上に設定された中間点Ｓ２までの区間である。離脱区間は、中間点Ｓ２から封止体３の表面３ａ上に設定された終了位置ＥＰ１までの区間である。中間点Ｓ１，Ｓ２は、封止体３の表面３ａのうち、第一突合せ部Ｊ１に対応する位置に互いに離間して設定されている。また、開始位置ＳＰ１及び終了位置ＥＰ１は、封止体３の表面３ａのうち、第一突合せ部Ｊ１に対応する位置よりも内側に設定されている。

押入区間では、開始位置ＳＰ１に回転ツールＦの回転中心軸線Ｚが垂直となるように配置し、中間点Ｓ１に向けて相対移動させながら所定の深さとなるまで先端側ピンＦ３を徐々に押入していく。回転ツールＦが中間点Ｓ１に達したら、そのまま本区間に移行する。回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ１が形成される。押入区間から本区間に回転ツールＦを移行させる際には、途中で回転ツールＦが停止したり、移動速度が低下したりしないように、平面視直線状又は円弧状に回転ツールＦを移動させることが好ましい。

本区間では、図１０に示すように、回転ツールＦの回転中心軸線Ｚと封止体３の表面３ａ及び周壁部１１の端面１１ａとが垂直になるようにしつつ、所定の深さを維持した状態で、回転ツールＦを封止体３の表面３ａの外周縁に沿って相対移動させる。本区間では、回転ツールＦで周壁部１１廻りを一周させる。ここで、「所定の深さ」とは、本区間において中間点Ｓ１から一周させて中間点Ｓ２に達するまでの回転ツールＦの先端側ピンＦ３を差し込む深さを言う。本実施形態では、回転ツールＦの先端側ピンＦ３の平坦面Ｆ４を封止体３のみに接触させるとともに、突起部Ｆ５の先端面を周壁部１１のみに接触させるように所定の深さを設定している。ジャケット本体２及び封止体３の角部においては、保持部２２，２２を回転させながら回転ツールＦを相対移動させる。塑性化領域Ｗ１の始端と終端とをオーバーラップさせて回転ツールＦが中間点Ｓ２（図９参照）に達したら、そのまま離脱区間に移行する。本区間から離脱区間に回転ツールＦを移行させる際には、途中で回転ツールＦが停止したり、移動速度が低下したりしないように、平面視直線状又は円弧状に回転ツールＦを移動させることが好ましい。

離脱区間では、図１１に示すように、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ１に相対移動させながら、先端側ピンＦ３を封止体３から徐々に引き抜いて終了位置ＥＰ１で離脱させる。第一本接合工程が終了したら、ジャケット本体２及び封止体３から挟持装置を離脱させる。

第二本接合工程は、図１２に示すように、回転ツールＦを用いて封止体３と支柱１２とを摩擦攪拌接合する工程である。第二本接合工程では、回転ツールＦを封止体３の表面３ａから垂直に挿入し、第二突合せ部Ｊ２に沿って一周以上相対移動させた後、封止体３から回転ツールＦを離脱させる。第二本接合工程では、先端側ピンＦ３をジャケット本体２の支柱１２及び封止体３に接触させるとともに、基端側ピンＦ２の外周面を封止体３の表面３ａに接触させた状態で摩擦攪拌を行う。換言すれば、先端側ピンＦ３の平坦面Ｆ４を封止体３のみに接触させるとともに、突起部Ｆ５の先端面を支柱１２のみに接触させつつ、基端側ピンＦ２の外周面を封止体３の表面３ａに接触させた状態で摩擦攪拌を行う。

本実施形態では、先端側ピンＦ３の平坦面Ｆ４が端面１１ａ達するようにしているが、先端側ピンＦ３と封止体３のみとが接触させた状態で摩擦攪拌接合を行ってもよい。この場合は、先端側ピンＦ３と封止体３との摩擦熱によって第二突合せ部Ｊ２が塑性流動化して接合される。なお、第二本接合工程は省略してもよい。

以上説明した第一実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法によれば、ジャケット本体２の底部１０と封止体３の表面３ａとを一対の保持部２２で両外側から保持した状態でジャケット本体２及び封止体３を回転又は移動させるため、第一本接合工程中に保持部２２と回転ツールＦとが干渉しない。つまり、ジャケット本体２と封止体３とを位置決めするための治具が、回転ツールＦの移動ルート上に無いため回転ツールＦの移動の妨げにならない。これにより、回転ツールＦを駆動させるための装置等の付帯設備に費用を要せず、液冷ジャケットを低コストで製造することができる。

また、第一本接合工程を行うことで、突起部Ｆ５に巻き上げられた塑性流動材は平坦面Ｆ４で押えられるので、突起部Ｆ５周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに第一突合せ部Ｊ１の酸化被膜が確実に分断される。これにより、第一突合せ部Ｊ１の接合強度を高めることができる。

また、第二本接合工程を行うことで、接合強度を高めることができる。第二本接合工程において、先端側ピンＦ３の平坦面Ｆ４を封止体３のみに接触させるとともに、突起部Ｆ５の先端面を支柱１２のみに接触させれば、突起部Ｆ５に巻き上げられた塑性流動材は平坦面Ｆ４で押えられるので、突起部Ｆ５周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに第二突合せ部Ｊ２の酸化被膜が確実に分断される。これにより、第二突合せ部Ｊ２の接合強度を高めることができる。

また、本実施形態では、第一本接合工程において、基端側ピンＦ２の外周面と封止体３の表面３ａとを接触させ、塑性流動材を押さえながら摩擦攪拌を行うため、バリの発生を抑制することができる。また、第二本接合工程において、基端側ピンＦ２の外周面と封止体３の表面３ａとを接触させ、塑性流動材を押さえながら摩擦攪拌を行うため、バリの発生を抑制することができる。

また、基端側ピンＦ２の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面（封止体３の表面３ａ）に形成される段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、基端側ピンＦ２の階段状のピン段差部Ｆ２１は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面Ｆ２１ａで押えつつ塑性流動材がピン段差部Ｆ２１の外部に抜けやすくなっている。その
ため、基端側ピンＦ２で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ２の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

また、第一本接合工程では、第一突合せ部Ｊ１上での塑性化領域Ｗ１の始端と終端とをオーバーラップさせているため、気密性及び水密性を高めることができる。

なお、第一本接合工程は、第二本接合工程の後に行ってもよい。また、押入区間及び離脱区間では、回転ツールＦの移動軌跡が円弧状となるように移動ルートを設定してもよい。また、本実施形態の第一本接合工程では、回転ツールＦの位置を摩擦攪拌装置に対して変位させないように設定したが、回転ツールＦとジャケット本体２及び封止体３（挟持装置）とを両者とも移動させて摩擦攪拌接合を行ってもよい。回転ツールＦをロボットアームに取り付けた場合は、当該ロボットアームとジャケット本体２及び封止体３（挟持装置）とを両者とも移動させて摩擦攪拌接合を行ってもよい。

また、第一本接合工程では、回転ツールＦの回転速度を一定としてもよいが、可変させてもよい。第一本接合工程の押入区間において、開始位置ＳＰ１における回転ツールＦの回転速度をＶ１とし、本区間における回転ツールＦの回転速度をＶ２とすると、Ｖ１＞Ｖ２としてもよい。回転速度のＶ２は、設定移動ルートＬ１における予め設定された一定の回転速度である。つまり、開始位置ＳＰ１では、回転速度を高く設定しておき、押入区間内で徐々に回転速度を低減させながら本区間に移行してもよい。

また、第一本接合工程の離脱区間において、本区間における回転ツールＦの回転速度をＶ２、終了位置ＥＰ１において離脱させるときの回転ツールＦの回転速度をＶ３とすると、Ｖ３＞Ｖ２としてもよい。つまり、離脱区間に移行したら、終了位置ＥＰ１に向けて徐々に回転速度を上げながら封止体３から回転ツールＦを離脱させてもよい。回転ツールＦを封止体３に押し入れる際又は封止体３から離脱させる際に、前記のように設定することで、押入区間又は離脱区間時における少ない押圧力を、回転速度で補うことができるため、摩擦攪拌を好適に行うことができる。

［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ついて説明する。図１３に示すように、第二実施形態では、支柱１２に支柱段差部１４が設けられている点で第一実施形態と主に相違する。第二実施形態では、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。

ジャケット本体２Ａは、底部１０と、周壁部１１と、支柱１２とで構成されている。底部１０及び周壁部１１は第一実施形態と同一である。支柱１２の先端側には突出部１５が形成されている。突出部１５の形状は特に制限されないが、本実施形態では円柱状になっている。突出部１５が形成されることにより、支柱１２の先端には支柱段差部１４が形成されている。支柱段差部１４は、段差底面１４ａと、段差底面１４ａから立ち上がる段差側面１４ｂが形成されている。段差底面１４ａは、周壁部１１の端面１１ａと同じ高さ位置に形成されている。

封止体３Ａには、孔部４が形成されている。孔部４は、支柱１２の突出部１５に対応する位置に形成されている。孔部４は、突出部１５が挿入可能な大きさで形成されている。

第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法では、準備工程と、載置工程と、第一本接合工程と、第二本接合工程とを行う。準備工程は、ジャケット本体２Ａ及び封止体３Ａを準備する工程である。

載置工程は、図１３に示すように、ジャケット本体２Ａに封止体３Ａを載置する工程である。載置工程では、周壁部１１の端面１１ａに封止体３Ａを載置しつつ、支柱１２の突出部１５を孔部４に挿入する。これにより、周壁部１１の端面１１ａと封止体３Ａの裏面３ｂとが突き合わされて第一突合せ部Ｊ１が形成される。また、段差側面１４ｂと孔部４の孔壁４ａとが突き合わされて段差側面突合せ部Ｊ１２が形成される。また、段差底面１４ａと封止体３Ａの裏面３ｂとが突き合わされて段差底面突合せ部Ｊ１３が形成される。封止体３Ａの厚さは適宜設定すればよいが、本実施形態では、段差側面１４ｂの高さ寸法よりも大きくなっている。

第一本接合工程は、第一実施形態と同じである。第二本接合工程では、回転ツールＦの先端側ピンＦ３を段差側面突合せ部Ｊ１２及び段差底面突合せ部Ｊ１３に挿入し、段差側面突合せ部Ｊ１２に沿って一周以上回転ツールＦを相対移動させる。また、基端側ピンＦ２の外周面を封止体３Ａの表面３ａに接触させた状態で摩擦攪拌を行う。本実施形態では、先端側ピンＦ３の平坦面Ｆ４を封止体３Ａ及び支柱１２（突出部１５）に接触させるとともに、突起部Ｆ５の先端面を支柱１２のみに接触させた状態で摩擦攪拌接合を行う。第二本接合工程において、回転ツールＦの移動軌跡には塑性化領域Ｗ２が形成される。なお、第二本接合工程では、回転ツールＦの挿入深さは適宜設定すればよい。

以上説明した本実施形態に係る第二本接合工程によれば、支柱１２の突出部１５に封止体３Ａの孔部４を挿入することで、ジャケット本体２Ａと封止体３Ａとの位置決めを容易に行うことができる。また、封止体３Ａの板厚を、段差側面１４ｂよりも大きく設定しているため、接合部が金属不足になるのを防ぐことができる。また、第二本接合工程において、先端側ピンＦ３のみを封止体３Ａ及び支柱１２に接触させつつ、先端側ピンＦ３の突起部Ｆ５の先端面を支柱１２のみに接触させれば、突起部Ｆ５に巻き上げられた塑性流動材は平坦面Ｆ４で押えられるので、突起部Ｆ５周りをより確実に摩擦攪拌することができるとともに段差側面突合せ部Ｊ１２及び段差底面突合せ部Ｊ１３の酸化被膜が確実に分断される。これにより、段差側面突合せ部Ｊ１２及び段差底面突合せ部Ｊ１３の接合強度を高めることができる。

また、基端側ピンＦ２の外周面で塑性流動材を押えることができるため、接合表面（封止体３Ａの表面３ａ）に形成される段差凹溝を小さくすることができるとともに、段差凹溝の脇に形成される膨出部を無くすか若しくは小さくすることができる。また、基端側ピンＦ２の階段状のピン段差部Ｆ２１は浅く、かつ、出口が広いため、塑性流動材を段差底面Ｆ２１ａで押えつつ塑性流動材がピン段差部Ｆ２１の外部に抜けやすくなっている。そのため、基端側ピンＦ２で塑性流動材を押えても基端側ピンＦ２の外周面に塑性流動材が付着し難い。よって、接合表面粗さを小さくすることができるとともに、接合品質を好適に安定させることができる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲において適宜設計変更が可能である。

１ 液冷ジャケット
２，２Ａ ジャケット本体
３，３Ａ 封止体
３ａ 表面
１１ａ 端面
２２ 保持部
Ｆ 回転ツール
Ｆ２ 基端側ピン
Ｆ３ 先端側ピン
Ｆ４ 平坦面
Ｆ５ 突起部
Ｊ１ 第一突合せ部
Ｊ２ 第二突合せ部
Ｊ１２ 段差側面突合せ部
Ｊ１３ 段差底面突合せ部
ＳＰ１ 開始位置
ＥＰ１ 終了位置
Ｗ１ 塑性化領域

Claims (8)

1. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部及び前記底部から立ち上がる支柱を有す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で構成され、前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法であって、
   摩擦攪拌で用いる回転ツールは、基端側ピンと、先端側ピンとを備え、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   前記先端側ピンは、先端側に前記回転ツールの回転中心軸線に垂直な平坦面を備えるとともに、さらに前記平坦面から突出する突起部を備え、
   前記ジャケット本体に前記封止体を載置することにより前記周壁部の端面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記支柱の端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先端側ピンを前記封止体の表面から挿入し、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記周壁部のみに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記封止体の表面に接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って所定の深さで前記周壁部の廻りに相対的に一周させて前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一本接合工程と、を含み、
   前記第一本接合工程において、前記ジャケット本体の前記底部と前記封止体の表面とを両外側から一対の保持部で押圧して保持しつつ、前記保持部を用いて前記ジャケット本体及び前記封止体を回転又は平行移動させて前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌することを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
2. 回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記封止体の表面から挿入し、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記支柱のみに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記封止体の表面に接触させた状態で前記回転ツールを相対的に移動させて前記第二突合せ部を摩擦攪拌する第二本接合工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の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及び前記底部から立ち上がる支柱を有するジャケット本体と、前記支柱の先端が挿入される孔部を備えるとともに前記ジャケット本体の開口部を封止する封止体とで構成され、前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌で接合する液冷ジャケットの製造方法であって、
   摩擦攪拌で用いる回転ツールは、基端側ピンと、先端側ピンとを備え、
   前記基端側ピンのテーパー角度は、前記先端側ピンのテーパー角度よりも大きくなっており、前記基端側ピンの外周面には階段状の段差部が形成されており、
   前記先端側ピンは、先端側に前記回転ツールの回転中心軸線に垂直な平坦面を備えるとともに、さらに前記平坦面から突出する突起部を備え、
   前記支柱の先端に段差底面と当該段差底面から立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成するとともに、前記支柱の段差底面を前記周壁部の端面と同一の高さ位置に形成し、前記封止体の厚みを前記段差側面よりも大きく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することにより前記周壁部の端面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて第一突合せ部を形成するとともに、前記支柱の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せて段差側面突合せ部を形成し、前記支柱の段差底面と前記封止体の裏面とを重ね合わせて段差底面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先端側ピンを前記封止体の表面に挿入し、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体のみに接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記周壁部のみに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を前記封止体の表面に接触させた状態で前記第一突合せ部に沿って所定の深さで前記周壁部の廻りに相対的に一周させて前記第一突合せ部を摩擦攪拌する第一本接合工程と、を含み、
   前記第一本接合工程において、前記ジャケット本体の前記底部と前記封止体の表面とを両外側から一対の保持部で押圧して保持しつつ、前記保持部を用いて前記ジャケット本体及び前記封止体を回転又は平行移動させて前記ジャケット本体と前記封止体とを摩擦攪拌することを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
4. 回転する前記回転ツールの前記先端側ピンを前記封止体の表面から挿入し、前記先端側ピンの前記平坦面を前記封止体及び前記支柱に接触させるとともに、前記突起部の先端面を前記支柱のみに接触させつつ、前記基端側ピンの外周面を少なくとも前記封止体の表面に接触させた状態で前記回転ツールを相対移動させて前記段差側面突合せ部を摩擦攪拌する第二本接合工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の液冷ジャケットの製造方法。
5. 前記第一本接合工程後に前記第二本接合工程を行うことを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の液冷ジャケットの製造方法。
6. 前記第二本接合工程後に前記第一本接合工程を行うことを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の液冷ジャケットの製造方法。
7. 前記第一本接合工程では、所定の回転速度で前記回転ツールを回転させて摩擦攪拌を行い、
   前記第一本接合工程において前記先端側ピンを離脱させるとき、前記所定の回転速度よりも徐々に回転速度を上げながら終了位置まで移動させ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. 前記第一本接合工程では、所定の回転速度で前記回転ツールを回転させて摩擦攪拌を行い、
   前記第一本接合工程において前記先端側ピンを挿入するとき、前記所定の回転速度よりも高い速度で前記先端側ピンを回転させた状態で挿入し、徐々に回転速度を下げながら前記第一突合せ部まで移動させ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。

Images