JP6338770B2 - Friction stir welding method - Google Patents
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- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
Description
この発明は、摩擦攪拌接合方法に関し、特に、ツール抜去部における接合品質の確保に好適な摩擦攪拌接合方法に関するものである。 The present invention relates to a friction stir welding how, in particular, those related to the preferred friction stir welding how to secure the bonding quality in tool removal unit.
摩擦攪拌接合(FSW:Friction Stir Welding)は、金属接合技術の一つであり、接合部にツールと呼ばれる回転工具を挿入し、ツールを回転させながら接合線に沿って移動させることにより、接合部を攪拌させることで固相接合する方法である。また、摩擦攪拌接合は、溶融温度以下で接合可能であるため、金属組織の変態による接合部の強度低下や、変形が小さいなど多くの利点がある。
しかし、従来の摩擦攪拌接合は、ツール抜去部にツールを挿入していた穴が残ってしまい、その穴の部分で接合構造体の強度低下やリークが生じるという問題がある。そのため、摩擦攪拌接合では、ツール抜去後の穴に対する対策が必要とされている。
そこで、この問題の対策として、ツール抜去部を接合部から外して配置する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。Friction Stir Welding (FSW) is one of the metal joining technologies. A rotating tool called a tool is inserted into the joint, and the tool is moved along the joining line while rotating the tool. Is a method of solid phase bonding by stirring. In addition, since friction stir welding can be performed at a melting temperature or lower, there are many advantages such as a decrease in strength of the joint due to transformation of the metal structure and small deformation.
However, the conventional friction stir welding has a problem that the hole into which the tool has been inserted remains in the tool removal portion, and the strength of the bonded structure is reduced and leakage occurs at the hole. Therefore, in the friction stir welding, measures against the hole after the tool is removed are required.
Thus, as a countermeasure against this problem, a method of disposing the tool removal portion from the joint portion and disposing it (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、従来の摩擦攪拌接合方法にあっては、前述のようなツール抜去部の穴による強度低下やリーク発生の防止方法として、ツールを抜去するスペースを設ける必要があり、接合構造体が大型化または複雑化するという問題点がある。
この発明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、接合構造体が大型化または複雑化することなく、ツール抜去部の穴による接合強度の低下やリークの発生を抑制することができる摩擦攪拌接合方法を得ることを目的とするものである。
However, in the conventional friction stir welding how, as a method to prevent the hole by the strength decrease and leakage generation tools removed portion as described above, it is necessary to provide a space for withdrawing the tool, the bonding structure large There is a problem that it becomes complicated or complicated.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and suppresses the decrease in bonding strength and the occurrence of leakage due to the hole in the tool removal portion without increasing or increasing the size of the bonding structure. is for the purpose of obtaining a friction stir welding how capable.
この発明に係わる摩擦攪拌接合方法は、金属からなる被接合部材を準備する工程と、前記被接合部材に向かって直径が小さくなるようにテーパ部が先端に設けられ、前記テーパ部のテーパ角度が75°から150°であり、円錐台形状を有するショルダー部と、前記ショルダー部の先端である上底に設けられた円錐形状を有するプローブ部とから構成された接合ツールを準備する工程と、前記被接合部材の摩擦攪拌接合をおこなう始端に前記接合ツールを回転させながら挿入する工程と、前記接合ツールを回転させながら前記被接合部材の接合部を攪拌する工程と、前記接合ツールを接合線に沿って接合方向に移動させながら、前記接合部の深さが徐々に浅くなるように前記接合ツールを前記被接合部材に対して斜め方向に持ち上げることで、前記摩擦攪拌接合の終端から前記接合ツールを抜去する工程と、を有し、前記終端には、前記接合ツールが抜去された穴が残らないものである。 In the friction stir welding method according to the present invention, a step of preparing a member to be joined made of metal , a tapered portion is provided at the tip so that the diameter decreases toward the member to be joined , and the taper angle of the tapered portion is Preparing a joining tool composed of a shoulder portion having a truncated cone shape of 75 ° to 150 °, and a probe portion having a conical shape provided on an upper bottom that is a tip of the shoulder portion; Inserting the joining tool while rotating the joining tool at the starting end for performing friction stir welding of the members to be joined, stirring the joining portion of the joined members while rotating the joining tool, and joining the joining tool to the joining line While moving in the joining direction along, by lifting the joining tool in an oblique direction with respect to the joined members so that the depth of the joint portion gradually decreases, Removing the welding tool from the end of the friction stir welding, and the hole from which the welding tool has been removed does not remain at the end.
この発明による摩擦攪拌接合方法によれば、接合ツールを接合線に沿って接合方向に移動させながら、接合部の深さが徐々に浅くなるように接合ツールを被接合部材に対して斜め方向に持ち上げることで、摩擦攪拌接合の終端から接合ツールを抜去することにより、ツール抜去部に穴が残らないので、接合構造体を大型化または複雑化することなく、ツール抜去部の穴による接合強度の低下やリークの発生を抑制することができる。 According to the friction stir welding method according to the present invention, while moving the welding tool in the welding direction along the welding line, the welding tool is inclined with respect to the members to be joined so that the depth of the joint is gradually reduced. By removing the welding tool from the end of the friction stir welding by lifting, no hole remains in the tool removal part, so the joining strength of the tool removal part can be increased without increasing the size or complexity of the joining structure. Reduction and occurrence of leakage can be suppressed.
実施の形態1.
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態1について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1における摩擦攪拌接合方法に用いる接合ツールを示す模式図である。また、図2Aおよび図2Bは、この発明の実施の形態1における摩擦攪拌接合方法に用いる接合ツールの変形例を示す模式図である。また、図3は、この発明の実施の形態1における摩擦攪拌接合方法の接合ツールの抜き方を示す模式図である。
図1に示すように、摩擦攪拌接合に使用する接合ツール1は、円錐台形状を有するショルダー部2とそのショルダー部2の先端である上底に設けられた円錐形状を有するプローブ部3から構成されている。ショルダー部2の形状は円錐台形状を有しているが、一部切り込みがあってもよい。プローブ部3の形状は、先端がテーパ形状であるテーパ部10を有していれば、様々な形状でも適用可能である。また、プローブ部3の先端は、エッジでなく、アールが付いていても良い。なお、実施の形態1で使用する接合ツール1のプローブ部3は、通常は溝のない形状であるが、攪拌力を上げるために、ネジ状の溝を切っても良い。実施の形態1の接合ツール1は、ショルダー部2が、プローブ部3に近接するにしたがってショルダー直径が小さくなる方向にテーパ形状になるテーパ部9を有している。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a welding tool used in the friction stir welding method according to
As shown in FIG. 1, a
そのため、図3の説明において後述するが、被接合部材4とショルダー部2との間の抵抗が小さくなり、バリ8の発生を抑制することが可能である。また、実施の形態1における接合ツール1は、被接合部材4の表面にショルダー部2が接触していれば、欠陥の発生なくバリ8も抑制できる。接合ツール1のショルダー直径は、φが3mmから30mm、ショルダー部2のテーパ部9のテーパ角度は、75°から150°程度が好適であり、ショルダー直径が大きく、テーパ角度が小さいほど、挿入深さの裕度が大きくなる。また、この発明の実施の形態1の接合ツール1は、前進角を設ける必要がないため、複雑形状の被接合部材4への適用も容易である。さらに、一般的な接合ツール1を用いた場合、接合幅と接合深さのアスペクト比は、3:1程度であるのに対し、この発明の実施の形態1における接合ツール1を用いた場合は、接合幅と接合深さのアスペクト比を1:1程度にすることが可能である。
Therefore, as will be described later in the description of FIG. 3, the resistance between the
この発明の実施の形態1における接合ツール1は、ショルダー部2の直径を小さくすることができることも特徴の一つである。一般的な摩擦攪拌接合に用いる接合ツール1では、ショルダー部2の直径が小さいと、被接合部材4の表面である接合金属5からの挿入深さの位置精度が非常にシビアになり、欠陥やバリ8の少ない摩擦攪拌接合をすることが困難である。しかし、この発明の実施の形態1における接合ツール1は、挿入深さに対する裕度が高いため、小径のショルダー形状の接合ツール1でも摩擦攪拌接合できる。ショルダー径が小さい場合、摩擦攪拌接合時に加わる力が小さくなるため、被接合部材4の拘束治具を簡易化することができる。また、例えば被接合部材4が薄板の場合においても、摩擦攪拌接合などが可能になる。ただし、ショルダー径が小さい場合、周速を高くするために、高回転数の接合条件が必要になる。
One feature of the
また、図2A、図2Bは、実施の形態1における接合ツール1の変形例を示す。図2A、図2Bにおいて、ショルダー部2は、図1と同様にプローブ部3に近接するにしたがってショルダー直径が小さくなる方向にテーパ形状となるテーパ部9を有している。プローブ部3の形状は、円錐形状を有している。
図3は、この発明の実施の形態1における摩擦攪拌接合方法の接合ツールの抜き方を示す模式図である。図3において、被接合部材4は一枚の板であり、摩擦攪拌接合方法におけるツールの抜き方とこの方法を実施した際の攪拌領域を示したものである。よって、図3では、被接合部材同士を接合することを示したものではない。2A and 2B show a modification of the
FIG. 3 is a schematic diagram showing how to remove the welding tool of the friction stir welding method in
実施の形態1では、図3に示すように摩擦攪拌接合の接合ツール1が、被接合部材4に向かって直径が小さくなるようにテーパ部9を設けたショルダー部2と、ショルダー部2の先端である上底に直径がショルダー部2の最小直径以下のプローブ部3を有している。また、そのプローブ部3の先端は、被接合部材4に向かって直径が小さくなるようにテーパ形状となっているテーパ部10を有している。実施の形態1では、この接合ツール1を用いた摩擦攪拌接合方法において、接合ツール1を抜去する方法が接合方向と同じ方向に接合ツール1を移動させながら、接合部の深さが徐々に浅くなるように接合ツール1を被接合部材4に対して斜め方向に持ち上げることで、摩擦攪拌接合の終端から接合ツール1を抜去する摩擦攪拌接合方法である。
In the first embodiment, as shown in FIG. 3, the
この発明の実施の形態1の摩擦攪拌接合方法は、金属からなる被接合部材を準備する工程と、円錐台形状を有するショルダー部と、ショルダー部の先端である上底に設けられた円錐形状を有するプローブ部とから構成された接合ツールを準備する工程と、被接合部材の摩擦攪拌接合をおこなう始端に接合ツールを回転させながら挿入する工程と、接合ツールを回転させながら被接合部材の接合部を攪拌する工程と、接合ツールを接合線に沿って接合方向に移動させながら、接合部の深さが徐々に浅くなるように接合ツールを被接合部材に対して斜め方向に持ち上げることで、摩擦攪拌接合の終端から接合ツールを抜去する工程と、を有するものである。 The friction stir welding method according to the first embodiment of the present invention includes a step of preparing a member to be joined made of metal, a shoulder portion having a truncated cone shape, and a conical shape provided on an upper bottom that is a tip of the shoulder portion. A step of preparing a joining tool composed of a probe unit having a step, a step of inserting the welding tool into a starting end for performing friction stir welding of the members to be joined, and a step of inserting the joining tool while rotating the joining tool. And by moving the welding tool in the welding direction along the welding line and lifting the welding tool in an oblique direction with respect to the workpieces so that the depth of the welding portion gradually decreases. And a step of removing the welding tool from the end of the stir welding.
よって、この発明の実施の形態1の摩擦攪拌接合方法では、接合ツール1を接合線に沿って接合方向に移動させながら、接合部の深さが徐々に浅くなるように接合ツール1を被接合部材4に対して斜め方向に持ち上げるため、接合ツール1を完全に抜去してもプローブ部3の形状の穴6が残らない。これにより、接合部以外で接合ツール1を抜くスペースを設ける必要がないため、摩擦攪拌接合による接合構造体を小型化することが可能である。また、接合部に穴6が残らなくなるため、接合強度の低下や、密閉容器に摩擦攪拌接合を適用した際にリークの発生を抑制することができる。また、この発明の実施の形態1における摩擦攪拌接合方法は、ツール抜去部の穴6が形成されていないため、穴6に対応した後工程が不要となる。なお、摩擦攪拌接合の溶接品質は、ショルダー部2の径の周速に影響される。斜めに接合ツール1を持ち上げた場合、ショルダー部2の径が徐々に小さくなるため、接合ツール1を斜めに持ち上げながら、回転数を増大させる方が好適である。
Therefore, in the friction stir welding method according to
一方、図4は、比較例における一般的な摩擦攪拌接合方法に用いる接合ツールを示す模式図である。比較例における一般的な摩擦攪拌接合は、図4に示すような接合ツール1と呼ばれる棒状の工具を高速で回転させながら被接合部材4と接触させて、被接合部材4と接合ツール1の摩擦熱を利用して接合する。これは固層状態で接合する手法で、接合最高到達温度が融点以下になる。そのため、融接に比べ、接合部における強度低下の低下が小さい、接合変形が小さいなどの多くのメリットがある。比較例における摩擦攪拌接合に使用される接合ツール1は円筒形状であり、直径の大きいショルダー部2と、その先端に設けられた小径のプローブ部3から構成されている。接合中は、プローブ部3を被接合部材4内に挿入し、接合線に沿って移動させる。摩擦熱で軟化させた被接合部材4を接合ツール1で攪拌し、塑性流動を起こすことにより接合する。
On the other hand, FIG. 4 is a schematic diagram showing a welding tool used in a general friction stir welding method in a comparative example. In general friction stir welding in the comparative example, a bar-shaped tool called a
摩擦攪拌接合用の接合ツール1には、被接合部材4より融点が高く、高温強度の高い材料が必要である。アルミニウム合金を接合する場合、SKD61等のSKあるいはSKD工具鋼を使用するのが一般的である。また、近年では、軟鋼やステンレス鋼にも摩擦攪拌接合が利用されており、その場合、摩擦攪拌接合のツールはコバルト合金や超硬合金が使用されている。
摩擦攪拌接合の欠点として、ツール抜去部に残存する穴6による品質低下と、バリ8の発生が挙げられる。比較例における摩擦攪拌接合では、ツール抜去部でプローブ部3の形状の穴が必ず生じる。そのため、その部位で応力集中による接合構造体の破壊や、密閉容器に摩擦攪拌接合を適用した際にツール抜去部からのリークの発生が問題になる。そのため、接合部から外した位置で接合ツール1を抜くか、後工程でツール抜去部の穴6を溶接や接着剤などで埋める必要がある。しかし、接合部から外して接合ツール1を抜去する方法は、接合構造体が大型化または複雑化する。接合構造体の形状を変更しない方法として、板などの部品を接合部から延長したところに設置し、その部品でツールを抜去後、部品を除去する方法があるが、工数が増大するため、製作コストが増大する。また、後工程でツール抜去部の穴を埋める方法も製作コストが増大する。The
Disadvantages of friction stir welding include quality degradation due to the
図4のような一般的なツール形状で、接合ツール1を斜めに持ち上げた場合、ショルダー部2が被接合部材4から離れてしまい、攪拌された接合金属5を被接合部材4の表面で抑えられずに接合部に欠陥が発生する。そのため、一般的なツール形状を用いて斜めに接合ツール1を持ち上げても、欠陥なくツール抜去部の穴6を無くすことは出来ない。
一方、この発明の実施の形態1における摩擦攪拌接合の接合ツール1は、円錐台形状を有するショルダー部2から構成されている。つまり、ショルダー部2の先端は、テーパ形状を有するテーパ部9を有している。そのため、接合ツール1を持ち上げてもショルダー部2が被接合部材4から離れず、攪拌された接合金属5を抑えることが可能である。
When the joining
On the other hand, the
比較例における摩擦攪拌接合では、接合時にショルダー部2と被接合部材4の接触面からバリ8が発生する。バリ8は製品の加工性、使用性、製品の見た目などに悪影響を与えるため、摩擦攪拌接合後はバリ取りが必要になる。接合後にバリ取りすることにより、後工程への悪影響は抑制することができるが、半導体デバイスなどの部品が搭載された被接合部材4に摩擦攪拌接合を適用する場合、摩擦攪拌接合中に発生したバリ8によって部品を損傷する可能性があるので、バリ8の発生を抑制する必要がある。
また、比較例における一般的な接合ツール1では、前進角を3°から5°程度設けることが通常である。これは、垂直に接合ツール1を被接合部材4に挿入する場合、接合ツール1の挿入深さの裕度が少ないことが理由である。接合ツール挿入深さが浅い場合、攪拌した接合金属5を抑えることができないため、欠陥が発生し、逆に接合ツール挿入深さが深い場合、バリ8が多量に発生する。また、コンマ数ミリ単位の挿入深さの変化で欠陥や、バリ8の出方が大きく変化してしまう。接合ツール1に前進角を設けることによって、挿入深さの裕度は大きくなるが、前進角を設けると複雑な接合形状のものに対応が困難になる。In the friction stir welding in the comparative example,
Moreover, in the general joining
この発明の実施の形態1に係る摩擦攪拌接合の接合ツール1は、被接合部材4に向かって直径が小さくなるようにテーパ部9を設けたショルダー部2と、ショルダー部2の先端である上底に直径がショルダー部2の最小直径以下のプローブ部3を有している。また、そのプローブ部3の先端は、被接合部材4に向かって直径が小さくなるようにテーパ形状を有するテーパ部10を備えている。また、実施の形態1における摩擦攪拌接合方法は、その接合ツール1を用いて、接合方向と同じ方向に接合ツール1を移動させながら、接合部の深さが徐々に浅くなるように接合ツール1を被接合部材4に対して斜め方向に持ち上げることで、摩擦攪拌接合の終端から抜去するものである。接合方向と同じ方向に移動させながら、斜めに持ち上げて接合ツール1を抜去することにより、ツール抜去部に穴が残らない。また、この発明の実施の形態1における摩擦攪拌接合の接合ツール1は、ショルダー部2がテーパ形状を有している。そのため、接合ツール1を持ち上げてもショルダー部2が被接合部材4から一気に離れず、接合ツール1を持ち上げても攪拌された接合金属5を抑えることが可能である。
A
なお、上述した摩擦攪拌接合方法では、直線状に接合部の深さが徐々に浅くなるように接合ツール1を被接合部材4に対して斜め方向に直線的に持ち上げる場合について示したが、被接合部材4が、例えば円形もしくは楕円形である円状の接合軌跡であれば、その軌跡に沿って接合部の深さが徐々に浅くなるようにて接合ツール1を動かせばよい。すなわち、接合ツール1を螺旋状に動かしても、ツール抜去部の穴による接合強度の低下やリークの発生を抑制することができる。
In the friction stir welding method described above, the case where the
摩擦攪拌接合は、接合部を複数回接合することで、接合金属の結晶粒が微細化され、接合金属5の機械的性質が向上する。例えば、銅合金などでは顕著に見られ、融接に比べ、明らかな接合品質の向上が確認されている。図4のような一般的な接合ツールを用いた場合、ツール抜去部に穴6が生じてしまう。そのため、ツール抜去部を複数回接合すると、穴6がある部分で欠陥が生じてしまう。
In the friction stir welding, the joint portion is joined a plurality of times, the crystal grains of the joining metal are refined, and the mechanical properties of the joining
本願発明の実施の形態1の摩擦攪拌接合方法では、接合線上にツール抜去部の穴6が残らないため、ツール抜去部でも複数回接合しても欠陥が発生しない。そのため、接合品質向上だけでなく、接合を複数回に分割し、気密が必要な被接合部材でも、摩擦攪拌接合が適用可能になる。1パス目の接合ツール1の抜去部に重なるように2パス目の接合を実施しても欠陥が発生しないため、複数回に分割した接合でも耐リーク性が確保できる。
The friction stir welding method of
実施の形態2.
図5は、この発明の実施の形態2における摩擦攪拌接合方法の接合ツールの抜き方を示す模式図である。実施の形態2において、実施の形態1と同一の符号については、実施の形態1と同一の構成であるので説明を省略する。図5に示すように、実施の形態2における摩擦攪拌接合方法は、第1の被接合部材4aと第2の被接合部材4bを摩擦熱で軟化させ、攪拌することにより接合する方法である。被接合部材4として、例えば第1の被接合部材4aはアルミニウムもしくはアルミニウム合金であり、例えば第2の被接合部材4bは、銅もしくは銅合金である。また、被接合部材4は、それらを組み合わせたものであってもよい。第1の被接合部材4aと第2の被接合部材4bを突き合わせて重ね合せて設置した場合、組み立ての誤差、特に目違いによって、欠陥やバリが多く発生する可能性がある。目違いに対する裕度は大体板厚の1/10程度であり、特に第2の被接合部材4bより薄板である第1の被接合部材4aに対して、組立の精度が要求される。
FIG. 5 is a schematic diagram showing how to remove the welding tool in the friction stir welding method according to
実施の形態2に示す摩擦攪拌接合方法は、実施の形態1に示す摩擦攪拌接合方法と基本的に同様である。ただし、この発明の実施の形態2においては、第1の被接合部材4aと第2の被接合部材4bは、重ね合せて設置されている。第2の被接合部材4bの上に第1の被接合部材4aを載置するだけであるため、第1の被接合部材4aと第2の被接合部材4bの重ね合せる方向(上下方向)に関する位置ずれを考慮する必要がないことから、第1の被接合部材4aと第2の被接合部材4bとの位置合わせが容易になる。
また、この発明の実施の形態2においては、重畳された第1の被接合部材4aの上から接合ツール1により下方向に加圧しながら接合することができる。このため、接合部に生じる隙間に起因する欠陥の発生を抑制することができるため、接合部への欠陥を抑制することが可能である。The friction stir welding method shown in the second embodiment is basically the same as the friction stir welding method shown in the first embodiment. However, in
Moreover, in
この発明の摩擦攪拌接合方法で使用する接合ツール1には、円錐台形状を有するショルダー部2が設けられている。つまり、ショルダー部2は、プローブ部3に近接するにしたがってショルダー直径が小さくなる方向にテーパ形状となるテーパ部9を有している。そのため、接合方向と同じ方向に接合ツール1を移動させながら、被接合部材4に対して斜め方向に接合ツール1を持ち上げた場合でも、攪拌された接合金属5を第1の被接合部材4aの表面で抑えることが可能である。ここで、ショルダー部2のテーパ部9が第1の被接合部材4aの表面から完全に離れる場合、攪拌された接合金属5が抑えられず、接合表面に溝状の欠陥が生じることがある。この発明の実施の形態2においては、重ね合わせ継手の第1の被接合部材4aになるため、接合面が第1の被接合部材4aと第2の被接合部材4bの界面にある。この発明の実施の形態2の摩擦攪拌接合方法を重ね合わせ継手の第1の被接合部材4aに適用する場合、プローブ部3先端のテーパ部10が接合面になるように位置するようにすることが望ましい。プローブ部3先端のテーパ部10を接合面に配置して斜めに接合ツール1を持ち上げた場合、ショルダー部2のテーパ部9が第1の被接合部材4aの表面から完全に離れても、接合面はプローブ部3先端のテーパ部10で攪拌された接合金属5を抑えることができるため、接合面には欠陥が発生しない。
A
言い換えれば、プローブ部3先端のテーパ部10を接合面に配置しておくことで、第1の被接合部材4aの表面に欠陥が発生しても、接合面に欠陥が発生しないため、接合品質は確保可能である。なお、プローブ部3のテーパ角度は、45°から150°の範囲であることが好適であり、角度が鋭角なほど、第1の被接合部材4aと第2の被接合部材4bが上下によく攪拌される。しかし、鋭角なほど内部に空隙が発生しやすく、接合条件の適正範囲が狭くなることを考慮する必要がある。
この発明の実施の形態2は、重ね合わせ継手の第1の被接合部材4aのため、ツール挿入方向と平行方向に対する組立精度が向上する。そのため、第1の被接合部材4aを設置したときの組み立て誤差によって、バリ8の発生量が多くなることはない。In other words, by arranging the tapered
Since the second embodiment of the present invention is the first joined
実施の形態2における摩擦攪拌接合の接合ツール1は、プローブ部3の先端にも先が小さくなるようにテーパ部10が設けられている。これにより、重ね合わせ接合時において、ショルダー部2が第1の被接合部材4aに接触していなくても、プローブ部3の先端で接合部の攪拌金属である接合金属5を抑えることができるため、接合ツール1を接合方向と同じ方向に移動させながら、被接合部材4に対して斜めに持ち上げて抜去しても欠陥が発生しない。これにより、接合構造体を大型にすることなく、ツール抜去部の穴6による強度低下やリークの発生を抑制することが可能である。また、複雑な装置が不要で、簡単な形状の摩擦攪拌接合の接合ツール1でツール抜去部の悪影響を抑制できるため、装置のコストアップがなく、様々な形状の被接合部材に適用可能である。
In the
実施の形態3.
図6Aは、この発明の実施の形態3における摩擦攪拌接合方法により製作した接合構造体を示す平面図である。また、図6Bは、図6AのA−A線の断面図である。実施の形態3において、実施の形態1及び実施の形態2と同一の符号については、実施の形態1及び実施の形態2と同一の構成であるので説明を省略する。図6Aおよび図6Bに示すように、実施の形態3では、第1の被接合部材4aと第2の被接合部材4bは、摩擦攪拌接合により接合金属5で接合されている。実施の形態3における接合構造体においては、実施の形態2で示した摩擦攪拌接合方法により、第2の被接合部材4bとその上に配置された第1の被接合部材4aが、接合金属5により接続されている。また、実施の形態3では、ツール抜去部の穴は形成されていない。
FIG. 6A is a plan view showing a joint structure manufactured by the friction stir welding method according to
一方、図7Aは、比較例における摩擦攪拌接合方法により製作した接合構造体を示す平面図である。また、図7Bは、図7AのB−B線の断面図である。図7Aおよび図7Bに示すように、比較例における一般的な摩擦攪拌接合方法を使用した摩擦攪拌接合構造体では、接合部からずらした位置に接合ツール1の抜去部である穴6を設けてある。この方法で摩擦攪拌接合した接合構造体は、ツール抜去部を設置する必要があるため、接合部より一回り大型の接合構造体になる。例えば、図7Aおよび図7Bに示すようにツール抜去部を設置するために第2の被接合部材4bを大きくする必要がある。接合部の内側、つまり第1の被接合部材4aの上にツール抜去部を設ける方法が考えられるが、冷却や密閉容器などでは内圧が第1の被接合部材4aに加わるため、第1の被接合部材4aの上に穴6が残ることは望ましくない。また、接合線上に接合ツール1を抜去した穴6を残した場合、その部位で接合強度が低下したり、冷却器のような密閉容器である筐体に適用した際に、例えば冷却水等のリークが発生したりするなどの課題が発生する。そのため、一般的な摩擦攪拌接合では接合ツール1の抜去部を接合線上から外すことが必須である。
On the other hand, FIG. 7A is a top view which shows the joining structure manufactured by the friction stir welding method in a comparative example. Moreover, FIG. 7B is sectional drawing of the BB line of FIG. 7A. As shown in FIG. 7A and FIG. 7B, in the friction stir welding structure using the general friction stir welding method in the comparative example, a
この発明の実施の形態3の摩擦攪拌接合方法を使用した接合構造体は、接合線上で接合ツール1を抜去できるため、接合構造体を小型化することが可能である。ただし、冷却器のような密閉容器である筐体に実施の形態3の摩擦攪拌接合方法を適用する場合、接合ツール1を抜去した穴6はないが、被接合部材4に対して斜めに接合ツール1を持ち上げた部分でリークが発生する可能性がある。そのため、図6Aに示すように、接合ツール1を抜去する部分は、一度接合した部分をオーバーラップさせることが望ましい。つまり、摩擦攪拌接合における接合ツール1を抜去する終端は、摩擦攪拌接合の始端とオーバーラップされている。摩擦攪拌接合では、一度接合した部分を複数回接合しても欠陥は発生しない。
Since the joining
実施の形態4.
図8は、この発明の実施の形態4における接合構造体を示す断面模式図である。実施の形態4において、実施の形態1及び実施の形態2と同一の符号については、実施の形態1及び実施の形態2と同一の構成であるので説明を省略する。図8に示すように、実施の形態4では、半導体デバイス7を第1の被接合部材4aに実装した後に、摩擦攪拌接合する場合、ショルダー部2と第1の被接合部材4aの接触面から発生するバリ8による半導体デバイス7の損傷が懸念される。この発明の実施の形態4における摩擦攪拌接合の接合ツール1を使用した場合、ショルダー部2がテーパ形状であるテーパ部9を有しているため、バリ8の発生を抑制可能である。そのため、接合部からの半導体デバイス7の設置位置を接合幅の約1/2程度離しておけば、バリ8による半導体デバイス7の損傷は抑えられる。
また、半導体デバイス7を実装した冷却器の場合、封止接合部の内側には半導体デバイス7があるため、接合ツール1の抜去を接合部の内側にすることができない。また、半導体デバイス7と干渉しないように、第1の被接合部材4aの内側にツール抜去部を設けられたとしても、冷却器の場合は第1の被接合部材4aの内部に水などの冷媒を流す必要があるため、冷媒がリークする危険がある。そのため、半導体デバイス7を実装した冷却器を一般的な摩擦攪拌接合で製作する場合、冷却器である筐体が大きくなってしまう。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a bonded structure according to
Moreover, in the case of the cooler which mounted the
この発明の実施の形態4の摩擦攪拌接合方法は、接合線上で接合ツール1を抜去できるため、半導体デバイス7が実装されていても、冷却器の筐体の構造変更は不要である。また、ツール抜去部の穴6が封止接合上に残らないため、リークの危険もない。このように、この発明の実施の形態4の摩擦攪拌接合方法は、接合部のスペースが少ない接合構造体に対して特に好適である。なお、実施の形態4では、半導体デバイス7が搭載された冷却器への接合方法について示したが、その他の適用例として、パワーモジュール、冷蔵庫、エアコン等の冷却器にも適用可能である。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。In the friction stir welding method according to the fourth embodiment of the present invention, the joining
It should be noted that within the scope of the present invention, the embodiments can be freely combined, or the embodiments can be appropriately modified or omitted.
1 接合ツール、2 ショルダー部、3 プローブ部、4 被接合部材、4a 第1の被接合部材、4b 第2の被接合部材、5 接合金属、6 穴、7 半導体デバイス、8 バリ、9 テーパ部、10 テーパ部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記被接合部材に向かって直径が小さくなるようにテーパ部が先端に設けられ、前記テーパ部のテーパ角度が75°から150°であり、円錐台形状を有するショルダー部と、前記ショルダー部の先端である上底に設けられた円錐形状を有するプローブ部とから構成された接合ツールを準備する工程と、
前記被接合部材の摩擦攪拌接合をおこなう始端に前記接合ツールを回転させながら挿入する工程と、
前記接合ツールを回転させながら前記被接合部材の接合部を攪拌する工程と、
前記接合ツールを接合線に沿って接合方向に移動させながら、前記接合部の深さが徐々に浅くなるように前記接合ツールを前記被接合部材に対して斜め方向に持ち上げることで、前記摩擦攪拌接合の終端から前記接合ツールを抜去する工程と、を有し、
前記終端には、前記接合ツールが抜去された穴が残らないことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 Preparing a member to be joined made of metal;
A tapered portion is provided at the tip so that the diameter decreases toward the member to be joined, the taper angle of the tapered portion is 75 ° to 150 °, a truncated cone shape, and a tip of the shoulder portion Preparing a joining tool composed of a probe portion having a conical shape provided on the upper base,
Inserting the joining tool while rotating the joining tool at the starting end for friction stir welding of the joined members;
Stirring the joined portion of the members to be joined while rotating the joining tool;
While moving the joining tool along the joining line in the joining direction, the friction stirring is performed by lifting the joining tool in an oblique direction with respect to the joined members so that the depth of the joining portion gradually decreases. Removing the joining tool from the end of joining ,
The friction stir welding method according to claim 1, wherein a hole from which the welding tool is removed does not remain at the end .
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