JP2021154322A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材種の異なる支柱及び部材を好適に接合することができ、回転ツールの通過位置を把握することができる接合方法を提供する。【解決手段】支柱段差部１７を形成する準備工程と、支柱１５に部材３を載置する載置工程と、回転する攪拌ピンＦ２を部材３に挿入し、平坦面Ｆ３を部材３のみに接触させつつ、突起部Ｆ４の先端面を段差底面１７ａと同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、底面Ｆ１ａを部材３に接触させつつ、攪拌ピンＦ２の外周面を支柱１５の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で、設定移動ルートＬ１に沿って回転ツールＦを一周させて第一突合せ部Ｊ１に対して摩擦攪拌しつつ、塑性化領域Ｗ１内の段差側面１７ｂに近接する部位に所定幅の粗密部Ｚを形成する本接合工程と、を含み、本接合工程において、開始位置ＳＰから攪拌ピンＦ２を挿入し、進行方向に移動させつつ徐々に押入する。【選択図】図５

Description

本発明は、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１５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１５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ＦＤ２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、攪拌ピンＦＤ２を突合せ部Ｊ１０に挿入する際、所定の深さとなるまで鉛直方向に攪拌ピンＦＤ２を押入するため、摩擦攪拌の開始位置における摩擦熱が過大となる。これにより、当該開始位置において、ジャケット本体１０１側の金属が封止体１０２に混入しやすくなり、接合不良の一因となるという問題がある。

一方、攪拌ピンＦＤ２を突合せ部Ｊ１０から引き抜いて離脱させる際、鉛直方向に攪拌ピンＦＤ２を引き抜くため、摩擦攪拌の終了位置における摩擦熱が過大となる。これにより、当該終了位置において、ジャケット本体１０１側の金属が封止体１０２に混入しやすくなり、接合不良の一因とな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ＦＤ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。

このような観点から、本発明は、材種の異なる支柱及び部材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接合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、支柱と、前記支柱の先端が挿入される孔部を有する部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、前記支柱は、第一アルミニウム合金で形成されており、前記部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材料であり、摩擦攪拌で用いる回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の底面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、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、前記支柱の先端に段差底面と、当該段差底面から前記支柱の先端が先細りとなるように斜めに立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、前記支柱に前記部材を載置することにより、前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せた際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部材の裏面とが重ね合わされた第二突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記部材に挿入し、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記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、前記ショルダ部の底面を前記部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピンの外周面を前記支柱の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で、前記部材の表面に設定された設定移動ルートに沿って回転ツールを一周させて前記第一突合せ部に対して摩擦攪拌しつつ、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、を含み、前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に設定した開始位置から回転する前記攪拌ピンを挿入し、進行方向に移動させつつ所定の深さとなるまで徐々に前記攪拌ピンを押入することを特徴とする。

また、本発明は、支柱と、前記支柱の先端が挿入される孔部を有する部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、前記支柱は、第一アルミニウム合金で形成されており、前記部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材料であり、摩擦攪拌で用いる回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の底面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、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、前記支柱の先端に段差底面と、当該段差底面から前記支柱の先端が先細りとなるように斜めに立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、前記支柱に前記部材を載置することにより、前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せた際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部材の裏面とが重ね合わされた第二突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記部材に挿入し、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記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、前記ショルダ部の底面を前記部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピンの外周面を前記支柱の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で、前記部材の表面に設定された設定移動ルートに沿って前記回転ツールを一周させて前記第一突合せ部に対して摩擦攪拌しつつ、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、を含み、前記本接合工程において、回転する前記攪拌ピンを前記設定移動ルートよりもさらに前記支柱から離間した側に設定した開始位置に挿入した後、前記回転ツールの回転中心軸線を前記設定移動ルートと重複する位置まで移動させつつ所定の深さとなるまで前記攪拌ピンを徐々に押入することを特徴とする。

また、本発明は、支柱と、前記支柱の先端が挿入される孔部を有する部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、前記支柱は、第一アルミニウム合金で形成されており、前記部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材料であり、摩擦攪拌で用いる回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の底面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、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、前記支柱の先端に段差底面と、当該段差底面から前記支柱の先端が先細りとなるように斜めに立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、前記支柱に前記部材を載置することにより、前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せた際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部材の裏面とが重ね合わされた第二突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記部材に挿入し、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記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、前記ショルダ部の底面を前記部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピンの外周面を前記支柱の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で、前記部材の表面に設定された設定移動ルートに沿って前記回転ツールを一周させて前記第一突合せ部に対して摩擦攪拌しつつ、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、を含み、前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に終了位置を設定し、前記第一突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記攪拌ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記部材から前記回転ツールを離脱させることを特徴とする。

また、本発明は、支柱と、前記支柱の先端が挿入される孔部を有する部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、前記支柱は、第一アルミニウム合金で形成されており、前記部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材料であり、摩擦攪拌で用いる回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の底面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、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、前記支柱の先端に段差底面と、当該段差底面から前記支柱の先端が先細りとなるように斜めに立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、前記支柱に前記部材を載置することにより、前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せた際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部材の裏面とが重ね合わされた第二突合せ部を形成する載置工程と、回転する前記攪拌ピンを前記部材に挿入し、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記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、前記ショルダ部の底面を前記部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピンの外周面を前記支柱の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で、前記部材の表面に設定された設定移動ルートに沿って前記回転ツールを一周させて前記第一突合せ部に対して摩擦攪拌しつつ、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、を含み、前記本接合工程において、前記設定移動ルートよりもさらに前記支柱から離間した側に終了位置を設定し、前記第一突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記攪拌ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記部材から前記回転ツールを離脱させることを特徴とする。

かかる接合方法によれば、部材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部材側の第二アルミニウム合金が攪拌されて塑性流動化される。そのため、第一突合せ部において支柱段差部の段差側面と孔部の孔壁とを接合することができる。また、攪拌ピンの外周面を支柱の少なくとも上側にわずかに接触させるに留めるため、支柱から部材への第一アルミニウム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部材側の第二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、回転ツールを設定移動ルート上で移動させつつ所定の深さとなるまで攪拌ピンを徐々に押入することにより、設定移動ルートの一点で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。
また、回転ツールを設定移動ルートと重複する位置まで移動させながら所定の深さとなるまで攪拌ピンを徐々に押入することにより、設定移動ルート上で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。

また、回転ツールを設定移動ルート上で移動させつつ攪拌ピンを徐々に引き抜くことにより、設定移動ルートの一点で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。
また、回転ツールを設定移動ルートと重複する位置から移動させながら攪拌ピンを徐々に引き抜くことにより、設定移動ルート上で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。

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、前記準備工程では、前記部材の厚さを前記支柱段差部の段差側面の高さ寸法よりも大きくなるように設定することが好ましい。

かかる接合方法によれば、本接合工程における接合部の金属不足を防ぐことができる。

。
また、前記本接合工程では、前記回転ツールのアドバンシング側が前記支柱側となるように前記回転ツールの進行方向及び回転方向を設定することが好ましい。

かかる接合方法によれば、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部材とをより確実に接合することができる。

本発明に係る接合方法によれば、材種の異なる支柱及び部材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。

本発明の第一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接合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接合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接合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接合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本接合工程後の状態を示す断面図である。 第一実施形態に係る接合方法における検査画面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。 第一実施形態に係る接合方法の本接合工程後の状態を示す平面図である。 第一実施形態に係る接合方法の本接合工程後の状態を示す平面図である。 第二実施形態に係る接合方法の本接合工程を示す斜視図である。 第二実施形態に係る接合方法の本接合工程後の状態を示す平面図である。 第二実施形態に係る接合方法の本接合工程後の状態を示す平面図である。 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接合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、ショルダ部Ｆ１と、攪拌ピンＦ２と、平坦面Ｆ３と、突起部Ｆ４とで構成されている。ショルダ部Ｆ１の底面Ｆ１ａは、塑性流動化した金属を押える部位である。ショルダ部Ｆ１は円柱状を呈する。

攪拌ピンＦ２は、ショルダ部Ｆ１の底面Ｆ１ａの中央から垂下しており、ショルダ部Ｆ１と同軸になっている。攪拌ピンＦ２はショルダ部Ｆ１から離間するにつれて先細りのテーパー状となっている。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、螺旋溝を基端から先端に向けて左回りに刻設する。

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けて右回りに刻設する。このようにすると、摩擦攪拌接合によって塑性流動化した金属が螺旋溝に導かれて攪拌ピンＦ２の先端側に移動する。これにより、被接合金属部材（ジャケット本体２、封止体３）から溢れ出る金属を少なくすることができる。

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。

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（図５参照）を自在に傾斜させることができる。

［第一実施形態］
次に、本発明の第一実施形態に係る接合方法について図面を参照して説明する。図２に示すように、本実施形態の接合方法は、支柱１５と部材（以下、「封止体」とも言う。）３を摩擦攪拌で接合するというものであるが、ここでは、支柱１５を備えたジャケット本体２と、封止体３とを接合する場合を例示する。本発明は、支柱と部材とを接合する接合方法であって、支柱の形状や部材の形状、用途等は特に制限されるものではない。

本実施形態の接合方法は、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。

本実施形態に係る接合方法は、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、複数の支柱１５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。

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。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外側に広がるように傾斜している。段差側面１２ｂの傾斜角度β（図３）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。

図２に示すように、支柱１５は、底部１０から垂直に立ちあがっている。支柱１５の本数は特に制限がされないが、本実施形態では４本形成されている。また、支柱１５の形状は本実施形態では円柱状になっているが、角柱など他の形状であってもよい。支柱１５の先端には突出部１６が形成されている。突出部１６の形状は特に制限されないが、本実施形態では円錐台状になっている。突出部１６の高さは、封止体３の板厚よりも小さくなっている。

突出部１６が形成されることにより、支柱１５の先端には支柱段差部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から立ち上がる段差側面１７ｂとで構成されている。段差底面１７ａは、周壁段差部１２の段差底面１２ａと同じ高さ位置に形成されている。段差側面１７ｂの高さ寸法は、封止体３の板厚よりも小さくなっている。段差側面１７ｂは、先端に向かうにつれて先細りとなるように、孔壁４ａから離間するように傾斜している。

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の高さよりも大きくなっている。封止体３には、支柱１５と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が嵌め合わされるように形成されている。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。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突合せ部Ｊ１１が形成される。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突合せ部Ｊ１２が形成される。

また、載置工程によって孔部４の孔壁４ａと支柱段差部１７の段差側面１７ｂ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、孔壁４ａと支柱段差部１７の段差側面１７ｂとが断面略Ｖ字状の隙間をあけて突き合わされる場合を含み得る。さらに、封止体３の裏面３ｂと支柱段差部１７の段差底面１７ａとが突き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、回転ツールＦを用いて第一突合せ部Ｊ１を摩擦攪拌接合する工程である。本接合工程では、開始位置ＳＰから中間点Ｓ１（図１０参照）までの押入区間と、設定移動ルートＬ１上の中間点Ｓ１から一周廻って中間点Ｓ２（図１０参照）までの本区間と、中間点Ｓ２から終了位置ＥＰ（図１０参照）までの離脱区間の三つの区間を連続して摩擦攪拌する。中間点Ｓ１，Ｓ２は、設定移動ルートＬ１上に設定されている。

設定移動ルートＬ１は、環状を呈しており、突出部１６を囲むように設定される。設定移動ルートＬ１は、孔部４の孔壁４ａよりも外側に設定されるのがよいが、孔壁４ａの内側や孔壁４ａの位置に設定されてもよい。設定移動ルートＬ１から孔壁４ａまでの距離は、一定であるのがよい（つまり、設定移動ルートＬ１と孔壁４ａとは同心円であるのがよい）。押入区間では、設定移動ルートＬ１上に設定した開始位置ＳＰに右回転した攪拌ピンＦ２を挿入し、進行方向に移動させつつ所定の深さとなるまで攪拌ピンＦ２を下降させて封止体３に徐々に押入する。

中間点Ｓ１に達したらそのまま本区間の摩擦攪拌接合に移行する。図４及び図５に示すように、本区間では、回転中心軸線Ｘと設定移動ルートＬ１とが重なるようにしつつ所定の深さで回転ツールＦを移動させる。「所定の深さ」とは、設定移動ルートＬ１上の中間点Ｓ１から中間点Ｓ２までの本区間において攪拌ピンＦ２を差し込む深さをいう。

図５に示すように、本区間では、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１７ｂの傾斜角度γ（図３参照）は、攪拌ピンＦ２の外周面の傾斜角度α（図１参照）よりも小さく設定している。本区間では、ショルダ部Ｆ１の底面Ｆ１ａを封止体３の表面３ａに接触させつつ、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、さらには攪拌ピン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３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３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。

この状態で、第一突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを左回りに移動させる際に封止体３の第二アルミニウム合金を前記の第一突合せ部Ｊ１の隙間に流入させながら摩擦攪拌を行う。このとき、少なくとも攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０と支柱段差部１７の段差側面１７ｂとの接触により、支柱１５側の第一アルミニウム合金がわずかに削り取られ、第一アルミニウム合金が封止体３側に混入する。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。

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１７ｂ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。この粗密部Ｚを利用して、液冷ジャケット１の探傷検査を行うことができる。探傷検査には、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に示すように、検査結果画面Ｒの中で、液冷ジャケット１の中空部Ｕは色付きで表示され、支柱１５と区別される。支柱１５の中の、突出部１６の内周には、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、突出部１６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。突出部１６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、支柱段差部１７の段差側面１７ｂの傾斜角度γ、攪拌ピンＦ２の回転中心軸線Ｘの位置（幅方向の位置）は、支柱１５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１７ｂ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１７ｂとの接触代が大きくなると、硬度が高い支柱１５の金属が硬度の低い封止体３側に多く流入するため、支柱１５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１７ａ付近において、攪拌ピンＦ２の外周面と段差側面１７ｂ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。

図１０に示すように、設定移動ルートＬ１に沿って回転ツールＦを突出部１６の廻りに一周させて中間点Ｓ２に達したら、そのまま離脱区間に移行する。離脱区間では、設定移動ルートＬ１上に設定した終了位置ＥＰに回転ツールＦを移動させつつ攪拌ピンＦ２を上昇させて徐々に引き抜き、終了位置ＥＰで封止体３から回転ツールＦを離脱させる。なお、図１１に示すように、設定移動ルートＬ１よりもさらに支柱１５から離間した側（つまり、設定移動ルートＬ１の外側）に終了位置ＥＰを設定してもよい。その場合でも、設定移動ルートＬ１に沿って回転ツールＦを突出部１６の廻りに一周させた後に、設定移動ルートＬ１の外側に設定した終了位置ＥＰに回転ツールＦを移動させつつ攪拌ピンＦ２を封止体３から徐々に引き抜き、終了位置ＥＰで封止体３から回転ツールＦを離脱させる。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によれば、封止体（部材）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側の第二アルミニウム合金が攪拌されて塑性流動化される。そのため、第一突合せ部Ｊ１において支柱段差部１７の段差側面１７ｂと孔部４の孔壁４ａとを接合することができる。同様に第一突合せ部Ｊ１において支柱段差部１７の段差底面１７ａと封止体３の裏面３ｂとを接合することができる。また、攪拌ピンＦ２の外周面Ｆ１０を支柱段差部１７の段差側面１７ｂの少なくとも上側にわずかに接触させるに留めるため、支柱１５から封止体３への第一アルミニウム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Ｊ１においては主として封止体３側の第二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、図１０および図１１に示す本接合工程の押入区間では、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１上で移動させつつ所定の深さとなるまで攪拌ピンＦ２を徐々に押入することにより、設定移動ルートＬ１の一点で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。また、図１０に示す本接合工程の離脱区間では、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１上で移動させつつ攪拌ピンＦ２を徐々に引き抜くことにより、設定移動ルートＬ１の一点で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。

また、図１１に示す本接合工程の離脱区間では、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１と重複する位置から移動させながら攪拌ピンＦ２を徐々に引き抜くことにより、設定移動ルートＬ１上で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。これにより、設定移動ルートＬ１上において、支柱１５の第一アルミニウム合金が封止体（部材）３側に混入するのを抑制することができる。

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、攪拌ピンＦ２の外周面及び段差側面１７ｂ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１７ｂとが大きく接触することを回避することができる。

また、突起部Ｆ４の先端面を段差底面１７ａ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、ショルダ部Ｆ１の底面Ｆ１ａを封止体３の表面３ａに接触させることにより、バリの発生を抑制することができる。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、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、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、支柱１５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。支柱１５側がシアー側となるように設定することで、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１７ｂと封止体３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：アドバンシング側）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：リトリーティング側）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、準備工程において、封止体３の厚さを支柱段差部１７の段差側面１７ｂの高さ寸法よりも大きくなるように設定している。かかる接合方法によれば、接合部の金属不足を防ぐことができる。また、本接合工程では、第一突合せ部Ｊ１に沿って回転ツールＦを移動させ支柱１５の周りを一周させて摩擦攪拌を行うため、接合強度を高めることができるとともに、第一突合せ部Ｊ１の水密性及び気密性を高めることができる。

なお、本接合工程において、突合せ部Ｊ１１，Ｊ１２に対しては、例えば、摩擦攪拌などの方法により適宜接合すればよい。

［第二実施形態］
本発明の第二実施形態に係る接合方法について、図面を参照して詳細に説明する。第一実施形態との違いは本接合工程であるので、以下では本接合工程での相違点について説明を行い、準備工程および載置工程の説明を省略する。

本実施形態の本接合工程では、第一実施形態と比較して開始位置ＳＰの設定が異なる。第一実施形態では、図４に示すように設定移動ルートＬ１上に開始位置ＳＰを設定していたが、第二実施形態では、図１２に示すように設定移動ルートＬ１よりもさらに支柱１５から離間した側（つまり、設定移動ルートＬ１の外側）に開始位置ＳＰを設定する。本実施形態では、設定移動ルートＬ１の外側に設定した開始位置ＳＰに右回転した攪拌ピンＦ２のみを挿入し、回転ツールＦの回転中心軸線Ｘを設定移動ルートＬ１上の中間点Ｓ１に移動させつつ所定の深さとなるまで攪拌ピンＦ２を下降させて封止体３に徐々に押入する。そして、ショルダ部Ｆ１の底面Ｆ１ａを封止体３の表面３ａに接触させつつ突出部１６に対して左回りに回転ツールＦを移動させる。言い換えると、ショルダ部Ｆ１の底面Ｆ１ａと突出部１６とは離間し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。

図１３に示すように、設定移動ルートＬ１に沿って回転ツールＦを突出部１６の廻りに一周させたら、設定移動ルートＬ１上に設定した終了位置ＥＰに回転ツールＦを移動させつつ中間点Ｓ２から攪拌ピンＦ２を上昇させて封止体３から徐々に引き抜き、終了位置ＥＰで封止体３から回転ツールＦを離脱させる。なお、図１４に示すように、設定移動ルートＬ１よりもさらに支柱１５から離間した側（つまり、設定移動ルートＬ１の外側）に終了位置ＥＰを設定してもよい。その場合でも、設定移動ルートＬ１に沿って回転ツールＦを突出部１６の廻りに一周させた後に、設定移動ルートＬ１の外側に設定した終了位置ＥＰに回転ツールＦを移動させつつ中間点Ｓ２から攪拌ピンＦ２を上昇させて封止体３から徐々に引き抜き、終了位置ＥＰで封止体３から回転ツールＦを離脱させる。

以上説明した本実施形態に係る接合方法によ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。例えば、図１３および図１４に示す本接合工程の押入区間では、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１と重複する位置まで移動させながら所定の深さとなるまで攪拌ピンＦ２を徐々に押入することにより、設定移動ルートＬ１上で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。

また、図１３に示す本接合工程の離脱区間では、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１上で移動させつつ攪拌ピンＦ２を徐々に引き抜くことにより、設定移動ルートＬ１の一点で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。また、図１４に示す本接合工程の離脱区間では、回転ツールＦを設定移動ルートＬ１と重複する位置から移動させながら攪拌ピンＦ２を徐々に引き抜くことにより、設定移動ルートＬ１上で摩擦熱が過大になるのを防ぐことができる。

これにより、設定移動ルートＬ１上において、支柱１５の第一アルミニウム合金が封止体（部材）３側に混入するのを抑制することができる。

１ 液冷ジャケット
２ ジャケット本体
３ 封止体（部材）
３ａ 表面
３ｂ 裏面
４ 孔部
４ａ 孔壁
１２ 周壁段差部
１５ 支柱
１６ 突出部
１７ 支柱段差部
１７ａ 段差底面
１７ｂ 段差側面
Ｊ１ 第一突合せ部
Ｊ２ 第二突合せ部
Ｆ 回転ツール
Ｆ１ ショルダ部
Ｆ１ａ 底面
Ｆ２ 攪拌ピン
Ｆ３ 平坦面
Ｆ４ 突起部
Ｘ 回転中心軸線
Ｗ１ 塑性化領域
Ｌ１ 設定移動ルート
ＳＰ 開始位置
ＥＰ 終了位置

Claims (6)

1. 支柱と、前記支柱の先端が挿入される孔部を有する部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、
   前記支柱は、第一アルミニウム合金で形成されており、前記部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材料であり、
   摩擦攪拌で用いる回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の底面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、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、
   前記支柱の先端に段差底面と、当該段差底面から前記支柱の先端が先細りとなるように斜めに立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、
   前記支柱に前記部材を載置することにより、前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せた際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部材の裏面とが重ね合わされた第二突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記攪拌ピンを前記部材に挿入し、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記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、前記ショルダ部の底面を前記部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピンの外周面を前記支柱の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で、前記部材の表面に設定された設定移動ルートに沿って回転ツールを一周させて前記第一突合せ部に対して摩擦攪拌しつつ、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、を含み、
   前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に設定した開始位置から回転する前記攪拌ピンを挿入し、進行方向に移動させつつ所定の深さとなるまで徐々に前記攪拌ピンを押入することを特徴とする接合方法。
2. 支柱と、前記支柱の先端が挿入される孔部を有する部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、
   前記支柱は、第一アルミニウム合金で形成されており、前記部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材料であり、
   摩擦攪拌で用いる回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の底面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、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、
   前記支柱の先端に段差底面と、当該段差底面から前記支柱の先端が先細りとなるように斜めに立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、
   前記支柱に前記部材を載置することにより、前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せた際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部材の裏面とが重ね合わされた第二突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記攪拌ピンを前記部材に挿入し、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記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、前記ショルダ部の底面を前記部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピンの外周面を前記支柱の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で、前記部材の表面に設定された設定移動ルートに沿って前記回転ツールを一周させて前記第一突合せ部に対して摩擦攪拌しつつ、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、を含み、
   前記本接合工程において、回転する前記攪拌ピンを前記設定移動ルートよりもさらに前記支柱から離間した側に設定した開始位置に挿入した後、前記回転ツールの回転中心軸線を前記設定移動ルートと重複する位置まで移動させつつ所定の深さとなるまで前記攪拌ピンを徐々に押入することを特徴とする接合方法。
3. 支柱と、前記支柱の先端が挿入される孔部を有する部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、
   前記支柱は、第一アルミニウム合金で形成されており、前記部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材料であり、
   摩擦攪拌で用いる回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の底面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、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、
   前記支柱の先端に段差底面と、当該段差底面から前記支柱の先端が先細りとなるように斜めに立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、
   前記支柱に前記部材を載置することにより、前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せた際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部材の裏面とが重ね合わされた第二突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記攪拌ピンを前記部材に挿入し、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記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、前記ショルダ部の底面を前記部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピンの外周面を前記支柱の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で、前記部材の表面に設定された設定移動ルートに沿って前記回転ツールを一周させて前記第一突合せ部に対して摩擦攪拌しつつ、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、を含み、
   前記本接合工程において、前記設定移動ルート上に終了位置を設定し、前記第一突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記攪拌ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記部材から前記回転ツールを離脱させることを特徴とする接合方法。
4. 支柱と、前記支柱の先端が挿入される孔部を有する部材とを摩擦攪拌で接合する接合方法であって、
   前記支柱は、第一アルミニウム合金で形成されており、前記部材は第二アルミニウム合金で形成されており、前記第一アルミニウム合金は前記第二アルミニウム合金よりも硬度が高い材料であり、
   摩擦攪拌で用いる回転ツールは、ショルダ部を備え、前記ショルダ部の底面の中央から垂下する攪拌ピンを備えており、前記攪拌ピンは、先細りのテーパー状となっており、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、
   前記支柱の先端に段差底面と、当該段差底面から前記支柱の先端が先細りとなるように斜めに立ち上がる段差側面とを有する支柱段差部を形成する準備工程と、
   前記支柱に前記部材を載置することにより、前記支柱段差部の段差側面と前記孔部の孔壁とを突き合せた際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部材の裏面とが重ね合わされた第二突合せ部を形成する載置工程と、
   回転する前記攪拌ピンを前記部材に挿入し、前記攪拌ピンの前記平坦面を前記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、前記ショルダ部の底面を前記部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピンの外周面を前記支柱の少なくとも上側にわずかに接触させた状態で、前記部材の表面に設定された設定移動ルートに沿って前記回転ツールを一周させて前記第一突合せ部に対して摩擦攪拌しつつ、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、を含み、
   前記本接合工程において、前記設定移動ルートよりもさらに前記支柱から離間した側に終了位置を設定し、前記第一突合せ部に対する摩擦攪拌の後、前記回転ツールを前記終了位置に移動させつつ前記攪拌ピンを徐々に引き抜いて前記終了位置で前記部材から前記回転ツールを離脱させることを特徴とする接合方法。
5. 前記準備工程では、前記部材の厚さを前記支柱段差部の段差側面の高さ寸法よりも大きくなるように設定す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接合方法。
6. 前記本接合工程では、前記回転ツールのアドバンシング側が前記支柱側となるように前記回転ツールの進行方向及び回転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接合方法。

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