JP2021154308A - 液冷ジャケットの製造方法及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材種の異なる金属を好適に接合することができるとともに、回転ツールの通過位置を把握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。【解決手段】回転する回転ツールＦの攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を封止体３のみに接触させつつ、突起部Ｆ４の先端面を段差底面１２ａと同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、攪拌ピンＦ２のみをジャケット本体２の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で第一突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを一周させて摩擦攪拌しつつ、塑性化領域Ｗ１内の段差側面１２ｂに近接する部位に所定幅の粗密部を形成する本接合工程と、本接合工程後、粗密部を検出する探傷検査を行うことにより、攪拌ピンＦ２の通過位置を特定する検査工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、液冷ジャケットの製造方法及び摩擦攪拌接合方法に関する。

摩擦攪拌接合を利用した液冷ジャケットの製造方法が行われている。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１２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ＦＤの攪拌ピンＦＤ２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ＦＤの回転中心軸線ＸＡ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のように比較的単純な形状のものは、１０００系アルミニウム合金の展伸材で形成するというような場合がある。このように、アルミニウム合金の材種の異なる部材同士を接合して、液冷ジャケットを製造する場合がある。このような場合は、ジャケット本体１０１の方が封止体１０２よりも硬度が高くなることが一般的であるため、図１２のように摩擦攪拌接合を行うと、攪拌ピンＦＤ２が封止体１０２側から受ける材料抵抗に比べて、ジャケット本体１０１側から受ける材料抵抗が大きくなる。そのため、回転ツールＦＤの攪拌ピンによって異なる材種をバランスよく攪拌することが困難となり、接合後の塑性化領域に空洞欠陥が発生し接合強度が低下するという問題がある。

また、液冷ジャケットが完成した後に、例えば、超音波探傷検査を行うことにより液冷ジャケットの品質管理を行う場合ある。このとき、超音波探傷検査による接合不良の有無は把握することができるが、回転ツールがどの位置を通過したか把握することができないという問題がある。また、液冷ジャケットの接合強度のさらなる向上が望まれている。

このような観点から、本発明は、材種の異なるアルミニウム合金を好適に接合することができるとともに、回転ツールの通過位置を把握することができる液冷ジャケットの製造方法及び摩擦攪拌接合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、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部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、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、前記封止体よりも硬度が高い材種であり、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、前記攪拌ピンは、その先端に回転中心軸線に垂直な平坦面を有するとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、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、を有する周壁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て前記周壁段差部の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前記平坦面を前記封止体のみに接触させつつ、前記突起部の先端面を前記段差底面と同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記ジャケット本体の少なくとも上側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しつつ、塑性化領域内の前記段差側面に近接する部位に所定幅の粗密部を形成する本接合工程と、前記本接合工程後、前記粗密部を検出する探傷検査を行うことにより、前記攪拌ピンの通過位置を特定する検査工程と、を含むことを特徴とする。

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封止体側の金属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段差側面の少なくとも上側にわずかに接触させて摩擦攪拌を行うため、接合強度を確保しつつジャケット本体から封止体への金属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封止体側の金属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、所定幅の粗密部をあえて形成することで、探傷検査によって攪拌ピンの通過位置を把握することができる。これにより、品質管理作業をより容易に行うことができる。また、突起部の周りで巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押さえられるため、第二突合せ部の酸化被膜を確実に分断することができる。これにより、第二突合せ部の接合強度を高めることができる。

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、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、前記封止体よりも硬度が高い材種であり、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、前記攪拌ピンは、その先端に回転中心軸線に垂直な平坦面を有するとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、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、を有する周壁段差部を形成するとともに、板厚が前記周壁段差部の前記段差側面の高さ寸法よりも大きくなるように前記封止体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て前記周壁段差部の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前記平坦面を前記封止体のみに接触させつつ、前記突起部の先端面を前記段差底面と同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記ジャケット本体の少なくとも上側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しつつ、塑性化領域内の前記段差側面に近接する部位に所定幅の粗密部を形成する本接合工程と、前記本接合工程後、前記粗密部を検出する探傷検査を行うことにより、前記攪拌ピンの通過位置を特定する検査工程と、を含むことを特徴とする。

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封止体側の金属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段差側面の少なくとも上側にわずかに接触させて摩擦攪拌を行うため、接合強度を確保しつつジャケット本体から封止体への金属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封止体側の金属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、所定幅の粗密部をあえて形成することで、探傷検査によって攪拌ピンの通過位置を把握することができる。これにより、品質管理作業をより容易に行うことができる。また、封止体の厚さを大きくすることで接合部の金属不足を防ぐことができる。また、突起部の周りで巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押さえられるため、第二突合せ部の酸化被膜を確実に分断することができる。これにより、第二突合せ部の接合強度を高めることができる。

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、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、前記封止体よりも硬度が高い材種であり、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、前記攪拌ピンは、その先端に回転中心軸線に垂直な平坦面を有するとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、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広がるように斜めに立ち上がる段差側面と、を有する周壁段差部を形成するとともに、板厚が前記周壁段差部の前記段差側面の高さ寸法よりも大きくなるように前記封止体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することにより、前記周壁段差部の前記段差側面と前記封止体の外周側面との間に隙間があるように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前記平坦面を前記封止体のみに接触させつつ、前記突起部の先端面を前記段差底面と同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記ジャケット本体の少なくとも上側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しつつ、塑性化領域内の前記段差側面に近接する部位に所定幅の粗密部を形成する本接合工程と、前記本接合工程後、前記粗密部を検出する探傷検査を行うことにより、前記攪拌ピンの通過位置を特定する検査工程と、を含むことを特徴とする。

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封止体側の金属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段差側面の少なくとも上側にわずかに接触させて摩擦攪拌を行うため、接合強度を確保しつつジャケット本体から封止体への金属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封止体側の金属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、所定幅の粗密部をあえて形成することで、探傷検査によって攪拌ピンの通過位置を把握することができる。これにより、品質管理作業をより容易に行うことができる。また、攪拌ピンの外周面及び段差側面を傾斜するように形成することで、攪拌ピンと段差側面とが大きく接触することを回避することができる。また、封止体の厚さを大きくすることで接合部の金属不足を防ぐことができる。また、突起部の周りで巻き上げられた塑性流動材は平坦面で押さえられるため、第二突合せ部の酸化被膜を確実に分断することができる。これにより、第二突合せ部の接合強度を高めることができる。

また、前記封止体は、アルミニウム合金展伸材で形成し、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から先端に向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から先端に向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。これにより、螺旋溝によって塑性流動化した金属が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シアー側となり、前記封止体側がフロ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。これにより、前記ジャケット本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、本発明は、攪拌ピンを備える回転ツールを用いて第一部材と第二部材とを接合する摩擦攪拌接合方法であって、前記第一部材は、前記第二部材よりも硬度が高い材種であり、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、前記攪拌ピンは、その先端に回転中心軸線に垂直な平坦面を有するとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、前記第一部材に、段差底面と、当該段差底面から立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、前記第一部材に前記第二部材を載置して前記段差部の段差側面と前記第二部材の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第二部材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前記平坦面を前記第二部材のみに接触させつつ、前記突起部の先端面を前記段差底面と同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記第一部材の少なくとも上側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しつつ、塑性化領域内の前記段差側面に近接する部位に所定幅の粗密部を形成する本接合工程と、前記本接合工程後、前記粗密部を検出する探傷検査を行うことにより、前記攪拌ピンの通過位置を特定する検査工程と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る液冷ジャケットの製造方法及び摩擦攪拌接合方法によれば、材種の異なる金属を好適に接合しつつ、回転ツールの通過位置を把握することができる。

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。 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本接合工程後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検査工程を示す平面図である。 攪拌ピンの外周面を段差側面から離間させた例を示す図である。 攪拌ピンの外周面を段差側面に大きく接触させた例を示す図である。 第二実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法の準備工程を示す斜視図である。 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。 従来の液冷ジャケットの製造方法を示す断面図である。

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。本発明は、下記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。まずは、本実施形態に係る液冷ジャケットの製造方法で用いる回転ツールについて説明する。回転ツールは、摩擦攪拌接合に用いられるツールである。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、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。

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。また、攪拌ピンＦ２は、平坦面Ｆ３と、突起部Ｆ４とを備えている。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。攪拌ピンＦ２の先端には、回転中心軸線Ｘに対して垂直であり、かつ、平坦な平坦面Ｆ３が形成されている。突起部Ｆ４は、平坦面Ｆ３の中央から下方に突出した部位である。突起部Ｆ４の形状は特に限定されないが、例えば円柱状となっている。突起部Ｆ４の側面と、平坦面Ｆ３とで段差部が形成されている。

つまり、攪拌ピンＦ２の外面は、先細りとなる外周面と、先端に形成された平坦面Ｆ３と、平坦面Ｆ３の中央部から下方に突出する突起部Ｆ４とで構成されている。側面視した場合において、回転中心軸線Ｘと攪拌ピンＦ２の外周面のなす傾斜角度αは、例えば５°〜４０°の範囲で適宜設定すればよい。

攪拌ピンＦ２の外周面には螺旋溝が刻設されている。本実施形態では、回転ツールＦを右回転させるため、螺旋溝は、基端から先端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、螺旋溝を基端から先端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、回転ツールＦを左回転させる場合は、螺旋溝を基端から先端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、螺旋溝を基端から先端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、後述する被接合金属部材（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。

回転ツールＦは、摩擦攪拌装置の回転軸に取り付けられる。なお、回転ツールＦ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に取り付けてもよい。これにより、回転ツールＦの回転中心軸線Ｘを自在に傾斜させることができる。

［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２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、検査工程と、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、第一アルミニウム合金を主に含んで形成されている。第一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。ジャケット本体２は、本実施形態ではアルミニウム合金を例示したが、摩擦攪拌可能な他の金属でもよい。

図２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の内周縁には周壁段差部１２が形成されている。周壁段差部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。段差側面１２ｂは、段差底面１２ａから開口部に向かって外側に広がるように傾斜している。段差側面１２ｂの鉛直面に対する傾斜角度βは適宜設定すればよいが、例えば、鉛直面に対して３°〜３０°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。ここで鉛直面とは、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。

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、周壁段差部１２に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の高さ寸法よりも大きくなっている。封止体３の板厚寸法は、後記する本接合工程の際に接合部が金属不足にならない程度に適宜設定する。封止体３は、第二アルミニウム合金を主に含んで形成されている。第二アルミニウム合金は、第一アルミニウム合金よりも硬度の低い材料である。第二アルミニウム合金は、例えば、ＪＩＳ Ａ１０５０，Ａ１１００，Ａ６０６３等のアルミニウム合金展伸材で形成されている。封止体３は、本実施形態ではアルミニウム合金を例示したが、摩擦攪拌可能な他の金属でもよい。なお、本明細書において硬度はブリネル硬さをいい、ＪＩＳ Ｚ ２２４３に準じた方法によって測定することができる。

載置工程は、図３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は本実施形態のように断面略Ｖ字状の隙間をあけて突き合わされる場合も含み得る。また、段差底面１２ａと、封止体３の裏面３ｂとが重ね合わされて第二突合せ部Ｊ２が形成される。

本接合工程は、図４及び図５に示すように、回転する回転ツールＦを封止体３の周囲で一周させてジャケット本体２と封止体３とを摩擦攪拌接合する工程である。

図４に示すように、回転ツールＦを用いて摩擦攪拌を行う際には、封止体３に右回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、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。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Ｗ１が形成される。本実施形態では、封止体３に設定した開始位置Ｓｐに攪拌ピンＦ２を挿入し、封止体３に対して右廻りに回転ツールＦを相対移動させる。

図５に示すように、本接合工程では、回転ツールＦの回転中心軸線Ｘを鉛直線（鉛直面）と平行にした状態で摩擦攪拌を行う。段差側面１２ｂの傾斜角度β（図３参照）は、攪拌ピンＦ２の外周面の傾斜角度αよりも小さく設定している。本接合工程では、回転ツールＦの外周面の上側を周壁段差部１２の段差側面１２ｂの上部にわずかに接触させつつ、外周面の下側を周壁段差部１２の段差側面１２ｂに接触させないように設定する。また、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を封止体３のみに接触させつつ、突起部Ｆ４の先端面を周壁段差部１２の段差底面１２ａよりもわずかに深い位置となるように挿入する。なお、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を封止体３のみに接触させつつ、突起部Ｆ４の先端面を周壁段差部１２の段差底面１２ａと同一の高さ位置となるように挿入してもよい。本接合工程では、封止体３の周囲に一周させ、塑性化領域Ｗ１の始端と終端とを重複させたら回転ツールＦをジャケット本体２及び封止体３から離脱させる。

図６に示すように、本接合工程を行うと、回転ツールＦの移動軌跡に塑性化領域Ｗ１が形成されるとともに、塑性化領域Ｗ１の下部のうち段差側面１２ｂの内側近傍に粗密部Ｚが形成される。粗密部Ｚは、塑性流動材の攪拌が不十分な領域であって、他の部位よりも塑性流動材が粗密になっている領域である。粗密部Ｚは、塑性化領域Ｗ１の長手方向において連続的又は断続的に形成されている。

検査工程は、図７に示すように、液冷ジャケット１の探傷検査を行う工程である。検査工程では、超音波探傷装置（例えば、超音波映像装置（ＳＡＴ）株式会社日立ハイテクノロジーズ製）を用いる。図７中の検査結果画面Ｒのうち、液冷ジャケット１の中空部Ｕは色付きで表示されている。また、中空部Ｕの周囲に粗密部Ｚが色付きで、枠状かつ線状に表示されている。つまり、検査結果画面Ｒに粗密部Ｚが表示されることで、封止体３の全周に亘って回転ツールＦが通過していることが特定できる。中空部Ｕと粗密部Ｚの間は塑性化領域Ｗ１に相当する部位である。

ここで、粗密部Ｚの幅Ｚｗは４００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下に設定することが好ましい。粗密部Ｚの幅Ｚｗが４００μｍを超えると第一突合せ部Ｊ１の接合強度が不十分になるおそれがある。換言すると、粗密部Ｚの幅Ｚｗが４００μｍ以下であれば十分な接合強度が得られる。一方、粗密部Ｚの幅Ｚｗは１００μｍ以上であることが好ましい。粗密部Ｚの幅Ｚｗが１００μｍ未満であると超音波探傷装置で、粗密部Ｚ部分が検査結果画面Ｒに表示されないおそれがある。

図５に示すように、本接合工程において、攪拌ピンＦ２の外周面と段差側面１２ｂとが接触する領域と、接触しない領域との割合は本実施形態では、２：８くらいになっているが、ジャケット本体２と封止体３とが所望の強度で接合されつつ、前記した所定幅の粗密部Ｚが形成される範囲で適宜設定すればよい。換言すると、攪拌ピンＦ２の外周面の傾斜角度α、周壁段差部１２の段差側面１２ｂの傾斜角度β、攪拌ピンＦ２の回転中心軸線Ｘの位置（幅方向の位置）は、ジャケット本体２と封止体３とが所望の強度で接合されつつ、前記した所定幅の粗密部Ｚが形成される範囲で適宜設定すればよい。

図８に示すように、攪拌ピンＦ２の外周面と段差側面１２ｂとが離間していると接合できないか、若しくは接合強度が低下するおそれがあるため、少なくとも段差側面１２ｂの上部に攪拌ピンＦ２を接触させることが好ましい。また、図９に示すように、攪拌ピンＦ２と段差側面１２ｂとの接触代が大きくなると、硬度が高いジャケット本体２の金属が硬度の低い封止体３側に多く流入するため、ジャケット本体２と封止体３との攪拌のバランスが悪くなり、接合強度が低下するおそれがある。また、段差底面１２ａ付近において、攪拌ピンＦ２の外周面と段差側面１２ｂとが近接しすぎても、又は、離間しすぎても上記した所定幅の粗密部Ｚを形成することが困難となる。

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、封止体３と攪拌ピンＦ２との摩擦熱によって第一突合せ部Ｊ１の主として封止体３側の金属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の段差側面１２ｂの少なくとも上側にわずかに接触させて摩擦攪拌を行うため、接合強度を確保しつつジャケット本体２から封止体３への金属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Ｊ１においては主として封止体３側の金属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、突起部Ｆ４の先端面を段差底面１２ａと同一かそれよりもわずかに深く挿入するため、第二突合せ部Ｊ２における接合強度を高めつつ、ジャケット本体２から封止体３への金属の混入を極力少なくすることができる。また、所定幅の粗密部Ｚをあえて形成することで、探傷検査によって攪拌ピンＦ２の通過位置を把握することができる。これにより、品質管理作業をより容易に行うことができる。また、攪拌ピンＦ２の外周面及び段差側面１２ｂを傾斜するように形成することで、攪拌ピンＦ２と段差側面１２ｂとが大きく接触することを回避できるとともに、粗密部Ｚの幅Ｚｗ、大きさ等を容易に制御することができる。また、封止体３の厚さを大きくすることで接合部の金属不足を防ぐことができる。

また、攪拌ピンＦ２においては、平坦面Ｆ３から突出する突起部Ｆ４が形成されている。つまり、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３と突起部Ｆ４とで段差部が形成されている。そのため、突起部Ｆ４の周りで巻き上げられた塑性流動材は平坦面Ｆ３で押さえられるため、第二突合せ部Ｊ２の酸化被膜を確実に分断することができる。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、本接合工程では、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、本実施形態では回転ツールＦの移動軌跡に形成される塑性化領域Ｗ１のうち、ジャケット本体２側がシアー側となり、封止体３側がフロー側となるように回転ツール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。また、攪拌ピンＦ２の外周面及び段差側面１２ｂを傾斜するように形成することで、攪拌ピンＦ２と段差側面１２ｂとが大きく接触することを回避することができる。

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。

また、ジャケット本体２の第一アルミニウム合金は、封止体３の第二アルミニウム合金よりも硬度の高い材料になっている。これにより、液冷ジャケット１の耐久性を高めることができる。また、ジャケット本体２の第一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の第二アルミニウム合金をアルミニウム合金展伸材とすることが好ましい。第一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、第二アルミニウム合金を例えば、ＪＩＳ Ａ１０００系又はＡ６０００系とすることにより、加工性、熱伝導性を高めることができる。

例えば、本実施形態では、封止体３の板厚を段差側面１２ｂの高さ寸法よりも大きくしているが、両者を同一にしてもよい。また、段差側面１２ｂは傾斜させずに、段差底面１２ａに対して垂直でもよい。

なお、前記した実施形態ではジャケット本体と封止体とを接合して形成される液冷ジャケットの製造方法を例示したが、これに限定されるものではない。図示は省略するが、本発明は、液冷ジャケットの形状に限定されることなく段差部を備えた第一部材と、当該段差部に配置される第二部材とを接合する摩擦攪拌接合としても適用することができる。

［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。図１０及び図１１に示すように、第二実施形態では、ジャケット本体２Ａの支柱１５と封止体３Ａとを接合する点で第一実施形態と相違する。本実施形態では、準備工程、載置工程、本接合工程、検査工程を行う。本接合工程では、第一本接合工程と、第二本接合工程を行う。本実施形態では、第一実施形態と相違する部分を中心に説明する。

準備工程では、ジャケット本体２Ａ及び封止体３Ａを用意する。ジャケット本体２Ａは、底部１０、周壁部１１、複数の支柱１５（本実施形態では４つ）を備えている。支柱１５は、底部１０から立設し柱状を呈する。支柱１５の先端には先細りとなる突出部１６が形成されている。突出部１６を設けることにより、支柱１５の先端側には支柱段差部１７が形成されている。支柱段差部１７は、段差底面１７ａと、段差底面１７ａから軸中心側に傾斜する段差側面１７ｂとで構成されている。封止体３Ａには、支柱１５の対応する位置に孔部４が形成されている。孔部４は、突出部１６が挿入される大きさになっている。

載置工程では、ジャケット本体２Ａに封止体３Ａを載置する工程である。これにより、第一実施形態と同様に第一突合せ部Ｊ１及び第二突合せ部Ｊ２が形成される。また、図１１に示すように、支柱段差部１７の段差側面１７ｂと孔部４の孔壁４ａとが突き合わされて第三突合せ部Ｊ３が形成される。また、支柱段差部１７の段差底面１７ａと封止体３Ａの裏面３ｂとが重ね合わされて第四突合せ部Ｊ４が形成される。

本接合工程では、第一突合せ部Ｊ１及び第二突合せ部Ｊ２を接合する第一本接合工程と、第三突合せ部Ｊ３及び第四突合せ部Ｊ４を接合する第二本接合工程とを行う。第一本接合工程は、第一実施形態の本接合工程と同一であるため説明を省略する。

図１１に示すように、第二本接合工程では、攪拌ピンＦ２の外周面の上側を支柱段差部１７の段差側面１７ｂの上部にわずかに接触させつつ、攪拌ピンＦ２の外周面の下側を支柱段差部１７の段差側面１７ｂに接触させないように設定する。また、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を封止体３Ａのみに接触させつつ、突起部Ｆ４の先端面を支柱段差部１７の段差底面１７ａよりもわずかに深い位置となるように挿入する。なお、攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３を封止体３Ａのみに接触させつつ、突起部Ｆ４の先端面を支柱段差部１７の段差底面１７ａと同一の高さ位置となるように挿入してもよい。

図１１に示すように、第二本接合工程を行うと、回転ツールＦの移動軌跡に塑性化領域Ｗ２が形成されるとともに、塑性化領域Ｗ２の下部のうち段差側面１７ｂの外側近傍に粗密部Ｚが形成される。粗密部Ｚは、塑性流動材の攪拌が不十分な領域であって、他の部位よりも塑性流動材が粗密になっている領域である。粗密部Ｚは、塑性化領域Ｗ２において連続的又は断続的に形成されている。粗密部Ｚの形成方法や条件については第一実施形態と同一である。

本実施形態によれば、第一実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態によれば、支柱１５と封止体３Ａとを接合するため接合強度を高めることができる。また、塑性化領域Ｗ２内において、突出部１６の基端側の外側近傍に粗密部Ｚを形成することにより、検査工程において支柱１５周りにおける回転ツールＦの移動軌跡を確認することができる。

また、第二本接合工程において、突起部Ｆ４の周りで巻き上げられた塑性流動材は平坦面Ｆ３で押さえられるため、第四突合せ部Ｊ４の酸化被膜を確実に分断できる。これにより、第四突合せ部Ｊ４の接合強度を高めることができる。

１ 液冷ジャケット
２ ジャケット本体（第一部材）
３ 封止体（第二部材）
Ｆ 回転ツール
Ｆ１ 連結部
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｆ３ 平坦面
Ｆ４ 突起部
Ｊ１ 第一突合せ部
Ｊ２ 第二突合せ部
Ｗ１ 塑性化領域
Ｚ 粗密部

Claims (7)

1. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部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、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、前記封止体よりも硬度が高い材種であり、
   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、前記攪拌ピンは、その先端に回転中心軸線に垂直な平坦面を有するとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、
   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、を有する周壁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て前記周壁段差部の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前記平坦面を前記封止体のみに接触させつつ、前記突起部の先端面を前記段差底面と同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記ジャケット本体の少なくとも上側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しつつ、塑性化領域内の前記段差側面に近接する部位に所定幅の粗密部を形成する本接合工程と、
   前記本接合工程後、前記粗密部を検出する探傷検査を行うことにより、前記攪拌ピンの通過位置を特定する検査工程と、を含むことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
2. 底部、前記底部の周縁から立ち上がる周壁部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、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、前記封止体よりも硬度が高い材種であり、
   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、前記攪拌ピンは、その先端に回転中心軸線に垂直な平坦面を有するとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、
   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、を有する周壁段差部を形成するとともに、板厚が前記周壁段差部の前記段差側面の高さ寸法よりも大きくなるように前記封止体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て前記周壁段差部の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前記平坦面を前記封止体のみに接触させつつ、前記突起部の先端面を前記段差底面と同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記ジャケット本体の少なくとも上側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しつつ、塑性化領域内の前記段差側面に近接する部位に所定幅の粗密部を形成する本接合工程と、
   前記本接合工程後、前記粗密部を検出する探傷検査を行うことにより、前記攪拌ピンの通過位置を特定する検査工程と、を含む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、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、前記封止体よりも硬度が高い材種であり、
   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、前記攪拌ピンは、その先端に回転中心軸線に垂直な平坦面を有するとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、
   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広がるように斜めに立ち上がる段差側面と、を有する周壁段差部を形成するとともに、板厚が前記周壁段差部の前記段差側面の高さ寸法よりも大きくなるように前記封止体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することにより、前記周壁段差部の前記段差側面と前記封止体の外周側面との間に隙間があるように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前記平坦面を前記封止体のみに接触させつつ、前記突起部の先端面を前記段差底面と同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記ジャケット本体の少なくとも上側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しつつ、塑性化領域内の前記段差側面に近接する部位に所定幅の粗密部を形成する本接合工程と、
   前記本接合工程後、前記粗密部を検出する探傷検査を行うことにより、前記攪拌ピンの通過位置を特定する検査工程と、を含むことを特徴とする液冷ジャケットの製造方法。
4. 前記封止体は、アルミニウム合金展伸材で形成し、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３のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
5. 前記回転ツールの外周面に基端から先端に向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から先端に向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シアー側となり、前記封止体側がフロ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. 攪拌ピンを備える回転ツールを用いて第一部材と第二部材とを接合する摩擦攪拌接合方法であって、
   前記第一部材は、前記第二部材よりも硬度が高い材種であり、
   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、前記攪拌ピンは、その先端に回転中心軸線に垂直な平坦面を有するとともに、前記平坦面から突出する突起部を備え、
   前記第一部材に、段差底面と、当該段差底面から立ち上がる段差側面と、を有する段差部を形成する準備工程と、
   前記第一部材に前記第二部材を載置して前記段差部の段差側面と前記第二部材の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第二部材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前記平坦面を前記第二部材のみに接触させつつ、前記突起部の先端面を前記段差底面と同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、前記攪拌ピンの外周面を前記第一部材の少なくとも上側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しつつ、塑性化領域内の前記段差側面に近接する部位に所定幅の粗密部を形成する本接合工程と、
   前記本接合工程後、前記粗密部を検出する探傷検査を行うことにより、前記攪拌ピンの通過位置を特定する検査工程と、を含むことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。

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