WO2021149273A1 - 液冷ジャケットの製造方法及び摩擦攪拌接合方法 - Google Patents

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WO2021149273A1
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WO
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stirring pin
sealing body
jacket
peripheral wall
liquid
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PCT/JP2020/013865
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French (fr)
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堀　久司
伸城 瀬尾
Original Assignee
日本軽金属株式会社
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    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a liquid-cooled jacket and a method for friction stir welding.
  • Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a liquid-cooled jacket.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a conventional method for manufacturing a liquid-cooled jacket.
  • the butt portion J10 formed by abutting the step side surface 101c provided on the step portion of the aluminum alloy jacket body 101 and the side surface 102c of the aluminum alloy sealing body 102. This is to perform friction stir welding.
  • the stirring pin FD2 of the rotary tool FD is inserted into the butt portion J10 to perform friction stir welding.
  • the rotation center axis XA of the rotation tool FD is overlapped with the butt portion J10 and relatively moved.
  • the jacket body 101 tends to have a complicated shape.
  • a jacket body 101 formed of a cast material of 4000 series aluminum alloy and a relatively simple shape such as a sealing body 102 is a wrought material of 1000 series aluminum alloy. In some cases, it is formed by.
  • a liquid-cooled jacket may be manufactured by joining members of different grades of aluminum alloy.
  • the jacket body 101 generally has a higher hardness than the sealing body 102. Therefore, when friction stir welding is performed as shown in FIG. 12, the stirring pin FD2 becomes the sealing body 102.
  • the material resistance received from the jacket body 101 side is larger than the material resistance received from the side. Therefore, it becomes difficult to stir different grades in a well-balanced manner by the stirring pin FD2 of the rotary tool FD, and there is a problem that cavity defects occur in the plasticized region after joining and the joining strength decreases.
  • the quality of the liquid-cooled jacket may be controlled by performing an ultrasonic flaw detection inspection.
  • ultrasonic flaw detection inspection although it is possible to grasp the presence or absence of joint defects by ultrasonic flaw detection inspection, there is a problem that it is not possible to grasp which position the rotation tool has passed.
  • the present invention provides a method for manufacturing a liquid-cooled jacket and a method for friction stir welding, which can suitably join aluminum alloys of different grades and can grasp the passing position of a rotating tool.
  • the task is to do.
  • the present invention provides a liquid for friction stir welding of a jacket body having a bottom portion and a peripheral wall portion rising from the peripheral edge of the bottom portion and a sealing body that seals an opening of the jacket body.
  • the jacket body is a grade having a higher hardness than the sealing body
  • the rotary tool used for friction stir welding has a shoulder portion and hangs down from the center of the bottom surface of the shoulder portion.
  • the stirring pin is provided, and the outer peripheral surface of the stirring pin is inclined so as to be tapered.
  • a step bottom surface and a step side surface rising from the step bottom surface toward the opening are provided.
  • the preparatory step of forming the peripheral wall stepped portion having the above, and the first abutting portion by placing the sealing body on the jacket body and abutting the stepped side surface of the peripheral wall stepped portion with the outer peripheral side surface of the sealing body.
  • the mounting step of forming the second butt portion by superimposing the bottom surface of the step and the back surface of the sealing body, and the tip of the stirring pin of the rotating tool is the same as the bottom surface of the step.
  • the first butt portion is inserted at a depth or slightly deeper, and the bottom surface of the shoulder portion is in contact with the sealing body, and the stirring pin is slightly contacted with at least the upper side of the jacket body.
  • the metal of the first butt portion mainly on the sealing body side is agitated and plastically fluidized by the frictional heat between the sealing body and the stirring pin, and the step side surface and the outer circumference of the sealing body are formed in the first butt portion. Can be joined to the side surface. Further, while the bottom surface of the shoulder portion is in contact with the surface of the sealing body, the stirring pin is slightly contacted with at least the upper side of the step side surface of the jacket body to perform friction stirring, so that the jacket body is sealed while ensuring the joint strength. It is possible to minimize the mixing of metal into the stop body.
  • the metal on the sealing body side is mainly frictionally agitated, so that a decrease in joint strength can be suppressed.
  • the stirring pin is inserted at the same level as or slightly deeper than the bottom surface of the step, it is possible to increase the joint strength at the second butt portion and minimize the mixing of metal from the jacket body to the sealing body.
  • the passing position of the stirring pin can be grasped by the flaw detection inspection. As a result, the quality control work can be performed more easily.
  • the present invention is a method for manufacturing a liquid-cooled jacket in which a jacket body having a bottom portion and a peripheral wall portion rising from the peripheral edge of the bottom portion and a sealing body for sealing an opening of the jacket body are friction-stir welded.
  • the jacket body is a grade having a higher hardness than the sealing body, and the rotary tool used for friction stir welding is provided with a shoulder portion and a stirring pin hanging from the center of the bottom surface of the shoulder portion.
  • the outer peripheral surface of the stirring pin is inclined so as to be tapered, and the peripheral wall step portion has a step bottom surface and a step side surface rising from the step bottom surface toward the opening on the inner peripheral edge of the peripheral wall portion.
  • the step side surface of the peripheral wall step portion and the outer peripheral side surface of the sealing body are abutted to form the first butt portion, and the step bottom surface and the back surface of the sealing body are overlapped to form the second butt portion.
  • the tip of the stirring pin of the rotating tool is inserted at the same depth as or slightly deeper than the bottom surface of the step, and the bottom surface of the shoulder portion is brought into contact with the sealing body.
  • the rotating tool With the stirring pin slightly in contact with at least the upper side of the jacket body, the rotating tool is circulated around the first abutting portion to agitate the friction, and the stirring pin is placed near the side surface of the step in the plasticized region. It is characterized by including a main joining step of forming a coarse and dense portion having a predetermined width, and an inspection step of specifying a passing position of the stirring pin by performing a flaw detection inspection for detecting the rough and dense portion after the main joining step. And.
  • the metal of the first butt portion mainly on the sealing body side is agitated and plastically fluidized by the frictional heat between the sealing body and the stirring pin, and the step side surface and the outer circumference of the sealing body are formed in the first butt portion. Can be joined to the side surface. Further, while the bottom surface of the shoulder portion is in contact with the surface of the sealing body, the stirring pin is slightly contacted with at least the upper side of the step side surface of the jacket body to perform friction stirring, so that the jacket body is sealed while ensuring the joint strength. It is possible to minimize the mixing of metal into the stop body.
  • the metal on the sealing body side is mainly frictionally agitated, so that a decrease in joint strength can be suppressed.
  • the stirring pin is inserted at the same level as or slightly deeper than the bottom surface of the step, it is possible to increase the joint strength at the second butt portion and minimize the mixing of metal from the jacket body to the sealing body.
  • the passing position of the stirring pin can be grasped by the flaw detection inspection. As a result, the quality control work can be performed more easily.
  • by increasing the thickness of the sealing body it is possible to prevent a metal shortage at the joint portion.
  • the present invention is a method for manufacturing a liquid-cooled jacket in which a jacket body having a bottom portion and a peripheral wall portion rising from the peripheral edge of the bottom portion and a sealing body for sealing an opening of the jacket body are friction-stir welded.
  • the jacket body is a grade having a higher hardness than the sealing body, and the rotary tool used for friction stir welding is provided with a shoulder portion and a stirring pin hanging from the center of the bottom surface of the shoulder portion.
  • the outer peripheral surface of the stirring pin is inclined so as to be tapered, and the inner peripheral edge of the peripheral wall portion has a step bottom surface and a step surface surface that rises diagonally from the step bottom surface toward the opening.
  • the first butt portion is formed so that there is a gap between the step side surface of the peripheral wall step portion and the outer peripheral side surface of the sealing body, and the step bottom surface and the sealing body are formed.
  • the mounting step of superimposing the back surface to form the second butt portion and the tip of the stirring pin of the rotating tool are inserted at the same depth as the bottom surface of the step or slightly deeper than the bottom surface of the step, and the shoulder is inserted.
  • the rotary tool While the bottom surface of the portion is in contact with the sealing body and the stirring pin is slightly in contact with at least the upper side of the jacket body, the rotary tool is circulated around the first butt portion and friction stir is performed. Passing through the stirring pin by performing a main joining step of forming a coarse and dense portion having a predetermined width in a portion of the plasticized region close to the side surface of the step and a flaw detection inspection for detecting the rough and dense portion after the main joining step. It is characterized by including an inspection step for specifying a position.
  • the metal of the first butt portion mainly on the sealing body side is agitated and plastically fluidized by the frictional heat between the sealing body and the stirring pin, and the step side surface and the outer circumference of the sealing body are formed in the first butt portion. Can be joined to the side surface. Further, while the bottom surface of the shoulder portion is in contact with the surface of the sealing body, the stirring pin is slightly contacted with at least the upper side of the step side surface of the jacket body to perform friction stirring, so that the jacket body is sealed while ensuring the joint strength. It is possible to minimize the mixing of metal into the stop body.
  • the metal on the sealing body side is mainly frictionally agitated, so that a decrease in joint strength can be suppressed.
  • the stirring pin is inserted at the same level as or slightly deeper than the bottom surface of the step, it is possible to increase the joint strength at the second butt portion and minimize the mixing of metal from the jacket body to the sealing body.
  • the passing position of the stirring pin can be grasped by the flaw detection inspection. As a result, the quality control work can be performed more easily.
  • the outer peripheral surface of the stirring pin and the side surface of the step so as to be inclined, it is possible to avoid large contact between the stirring pin and the side surface of the step. Further, by increasing the thickness of the sealing body, it is possible to prevent a metal shortage at the joint portion.
  • the sealing body is made of an aluminum alloy wrought material and the jacket body is made of an aluminum alloy casting material.
  • the rotation direction of the rotation tool and the rotation direction of the rotation tool so that the jacket body side is the shear side and the sealing body side is the flow side in the plasticized region formed in the movement locus of the rotation tool. It is preferable to set the traveling direction. As a result, the jacket body side becomes the shear side, the stirring action by the stirring pin around the first butt portion is enhanced, the temperature rise at the first butt portion can be expected, and the step side surface and the outer periphery of the sealing body at the first butt portion. The side surface can be joined more reliably.
  • the present invention is a friction stir welding method for joining a first member and a second member using a rotary tool, wherein the first member is a grade having a higher hardness than the second member.
  • the rotary tool used in friction stir welding includes a shoulder portion, a stirring pin that hangs down from the center of the bottom surface of the shoulder portion, and the outer peripheral surface of the stirring pin is inclined so as to be tapered.
  • the tip of the stirring pin is inserted at the same depth as or slightly deeper than the bottom surface of the step, and the stirring pin is inserted into the first member while the bottom surface of the shoulder portion is in contact with the surface of the second member.
  • the rotating tool is circulated around the first abutting portion and frictionally agitated to form a coarse and dense portion having a predetermined width in a portion close to the step side surface in the plasticized region. It is characterized by including a main joining step of performing the process, and an inspection step of identifying the passing position of the stirring pin by performing a flaw detection inspection for detecting the coarse and dense portion after the main joining step.
  • the rotary tool is a tool used for friction stir welding.
  • the rotary tool F is made of, for example, tool steel, and is composed of a shoulder portion F1 and a stirring pin F2.
  • the bottom surface F1a of the shoulder portion F1 is a portion that holds down the plastically fluidized metal.
  • the shoulder portion F1 has a columnar shape.
  • the stirring pin F2 hangs down from the center of the bottom surface F1a of the shoulder portion F1 and is coaxial with the shoulder portion F1.
  • the stirring pin F2 has a tapered shape as it is separated from the shoulder portion F1.
  • a spiral groove is engraved on the outer peripheral surface of the stirring pin F2.
  • a spiral groove is carved counterclockwise from the base end to the tip end.
  • the rotation tool F is attached to a friction stir device that can move in the horizontal direction and the vertical direction.
  • the rotation tool F may be attached to a robot arm having a rotation driving means such as a spindle unit at its tip.
  • the method for manufacturing the liquid-cooled jacket 1 according to an embodiment of the present invention is to manufacture the liquid-cooled jacket 1 by friction stir welding the jacket body 2 and the sealing body 3.
  • the liquid-cooled jacket 1 is a member in which a heating element (not shown) is installed on the sealing body 3 and a fluid is allowed to flow inside to exchange heat with the heating element.
  • the "front surface” in the following description means the surface opposite to the "back surface”.
  • the method for manufacturing the liquid-cooled jacket according to the present embodiment includes a preparation step, a mounting step, a main joining step, and an inspection step.
  • the preparation step is a step of preparing the jacket body 2 and the sealing body 3.
  • the jacket body 2 is mainly composed of a bottom portion 10 and a peripheral wall portion 11.
  • the jacket body 2 is formed mainly containing a first aluminum alloy.
  • As the first aluminum alloy for example, an aluminum alloy casting material such as JISH5302 ADC12 (Al—Si—Cu system) is used.
  • JISH5302 ADC12 Al—Si—Cu system
  • the jacket body 2 is exemplified by an aluminum alloy in this embodiment, it may be another metal capable of friction stir welding.
  • the bottom portion 10 is a plate-shaped member having a rectangular shape in a plan view.
  • the peripheral wall portion 11 is a wall portion that rises in a rectangular frame shape from the peripheral edge portion of the bottom portion 10.
  • a peripheral wall step portion 12 is formed on the inner peripheral edge of the peripheral wall portion 11.
  • the peripheral wall step portion 12 is composed of a step bottom surface 12a and a step side surface 12b rising from the step bottom surface 12a.
  • the step side surface 12b is inclined so as to spread outward from the step bottom surface 12a toward the opening.
  • the inclination angle ⁇ of the step side surface 12b with respect to the vertical plane may be appropriately set, and is, for example, 3 ° to 30 ° with respect to the vertical plane.
  • a recess 13 is formed in the bottom portion 10 and the peripheral wall portion 11.
  • the vertical plane is defined as a plane composed of the traveling direction vector and the vertical direction vector of the rotation tool F.
  • the sealing body 3 is a plate-shaped member that seals the opening of the jacket body 2.
  • the sealing body 3 has a size to be placed on the peripheral wall step portion 12.
  • the plate thickness of the sealing body 3 is larger than the height dimension of the step side surface 12b.
  • the plate thickness dimension of the sealing body 3 is appropriately set so that the joint portion does not run out of metal during the main joining step described later.
  • the sealing body 3 is formed mainly containing a second aluminum alloy.
  • the second aluminum alloy is a material having a lower hardness than the first aluminum alloy.
  • the second aluminum alloy is formed of, for example, an aluminum alloy wrought material such as JIS A1050, A1100, A6063.
  • the sealing body 3 may be another metal capable of friction stir welding.
  • the hardness refers to Brinell hardness, which can be measured by a method according to JIS Z 2243.
  • the mounting step is a step of mounting the sealing body 3 on the jacket body 2 as shown in FIG.
  • the back surface 3b of the sealing body 3 is mounted on the bottom surface 12a of the step.
  • the step side surface 12b and the outer peripheral side surface 3c of the sealing body 3 are abutted to form the first abutting portion J1.
  • the first butt portion J1 may include a case where the first butt portion J1 is butt-butted with a gap having a substantially V-shaped cross section as in the present embodiment.
  • the step bottom surface 12a and the back surface 3b of the sealing body 3 are overlapped to form the second butt portion J2.
  • this joining step is a step of rotating the rotating tool F around the sealing body 3 and friction-stir welding the jacket body 2 and the sealing body 3.
  • a stirring pin F2 rotated clockwise is inserted into the sealing body 3, and the bottom surface F1a of the shoulder portion F1 is inserted into the surface 3a of the sealing body 3. Move while contacting.
  • a plasticized region W1 is formed on the movement locus of the rotation tool F by hardening the frictionally agitated metal.
  • the stirring pin F2 is inserted at the start position Sp set in the sealing body 3, and the rotating tool F is relatively moved clockwise with respect to the sealing body 3.
  • this joining step friction stir welding is performed in a state where the rotation center axis X of the rotation tool F is parallel to the vertical line (vertical surface).
  • the inclination angle ⁇ (see FIG. 3) of the step side surface 12b is set to be smaller than the inclination angle ⁇ (see FIG. 1) of the outer peripheral surface of the stirring pin F2.
  • the bottom surface F1a of the shoulder portion F1 is brought into contact with the surface 3a of the sealing body 3, and the upper side of the outer peripheral surface of the stirring pin F2 is slightly contacted with the upper portion of the step side surface 12b of the peripheral wall step portion 12.
  • the lower side of the outer peripheral surface of the stirring pin F2 is set so as not to come into contact with the step side surface 12b of the peripheral wall step portion 12.
  • the flat surface F3 of the stirring pin F2 may have the same height as the step bottom surface 12a of the step peripheral wall difference portion 12, but in the present embodiment, it is inserted so as to be slightly deeper than the step bottom surface 12a of the peripheral wall step portion 12. do.
  • the rotating tool F is separated from the jacket body 2 and the sealing body 3 when the start end and the ending end of the plasticized region W1 overlap each other around the sealing body 3.
  • a plasticized region W1 is formed in the movement locus of the rotation tool F, and a coarse-dense portion Z is formed in the lower portion of the plasticized region W1 near the inside of the step side surface 12b. It is formed.
  • the coarse-dense portion Z is a region where the stirring of the plastic fluid material is insufficient, and is a region where the plastic fluid material is coarser and denser than other portions.
  • the coarse and dense portion Z is formed continuously or intermittently in the longitudinal direction of the plasticized region W1.
  • the inspection step is a step of performing a flaw detection inspection of the liquid-cooled jacket 1.
  • an ultrasonic flaw detector for example, an ultrasonic imaging device (SAT) manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation
  • SAT ultrasonic imaging device
  • the hollow portion U of the liquid-cooled jacket 1 is displayed in color.
  • the coarse and dense portion Z is colored around the hollow portion U and is displayed in a frame shape and a linear shape. That is, by displaying the coarse and dense portion Z on the inspection result screen R, it can be specified that the rotation tool F has passed over the entire circumference of the sealing body 3.
  • the portion between the hollow portion U and the coarse-dense portion Z is a portion corresponding to the plasticized region W1.
  • the width Zw of the coarse and dense portion Z is preferably set to 400 ⁇ m or less, preferably 300 ⁇ m or less, and more preferably 200 ⁇ m or less. If the width Zw of the coarse and dense portion Z exceeds 400 ⁇ m, the joint strength of the first butt portion J1 may be insufficient. In other words, if the width Zw of the coarse and dense portion Z is 400 ⁇ m or less, sufficient bonding strength can be obtained. On the other hand, the width Zw of the coarse and dense portion Z is preferably 100 ⁇ m or more. If the width Zw of the coarse and dense portion Z is less than 100 ⁇ m, the ultrasonic flaw detector may not display the coarse and dense portion Z on the inspection result screen R.
  • the ratio of the region where the outer peripheral surface of the stirring pin F2 and the step side surface 12b contact and the region where the step side surface 12b does not contact is about 2: 8 in the present embodiment.
  • the jacket body 2 and the sealing body 3 may be appropriately set within a range in which the above-mentioned coarse and dense portion Z having a predetermined width is formed while being bonded to each other with a desired strength.
  • the inclination angle ⁇ of the outer peripheral surface of the stirring pin F2, the inclination angle ⁇ of the step side surface 12b of the peripheral wall step portion 12, and the position (position in the width direction) of the rotation center axis X of the stirring pin F2 are sealed with the jacket body 2. It may be appropriately set within the range in which the coarse and dense portion Z having the predetermined width is formed while being joined to the stop body 3 with a desired strength.
  • the joining may not be possible or the joining strength may decrease. It is preferable to bring them into contact. Further, as shown in FIG. 9, when the contact allowance between the stirring pin F2 and the step side surface 12b becomes large, a large amount of metal of the jacket body 2 having high hardness flows into the sealing body 3 side having low hardness, so that the jacket body 2 The balance between stirring and the sealing body 3 may become poor, and the bonding strength may decrease.
  • the metal mainly on the sealing body 3 side of the first butt portion J1 is agitated by the frictional heat between the sealing body 3 and the stirring pin F2, and the metal is plastic. It is fluidized, and the step side surface 12b and the outer peripheral side surface 3c of the sealing body 3 can be joined at the first butt portion J1. Further, since the bottom surface F1a of the shoulder portion F1 is in contact with the surface 3a of the sealing body 3 and the stirring pin F2 is slightly contacted with at least the upper side of the step side surface 12b of the jacket body 2 to perform friction stir welding, the joint strength is ensured. While doing so, it is possible to minimize the mixing of metal from the jacket body 2 into the sealing body 3. As a result, in the first butt portion J1, the metal on the sealing body 3 side is mainly frictionally agitated, so that a decrease in joint strength can be suppressed.
  • the stirring pin F2 is inserted at the same level as or slightly deeper than the step bottom surface 12a, the metal mixing from the jacket body 2 to the sealing body 3 is minimized while increasing the bonding strength at the second butt portion J2. can do. Further, by bringing the bottom surface F1a of the shoulder portion F1 into contact with the surface 3a of the sealing body 3, the generation of burrs can be suppressed. Further, by intentionally forming the coarse and dense portion Z having a predetermined width, the passing position of the stirring pin F2 can be grasped by the flaw detection inspection. As a result, the quality control work can be performed more easily. Further, by making the thickness of the sealing body 3 larger than that of the step side surface 12b, it is possible to prevent a metal shortage at the joint portion.
  • the rotation direction and the traveling direction of the rotation tool F may be appropriately set, but in the present embodiment, the jacket body 2 side of the plasticized region W1 formed in the movement locus of the rotation tool F is sheared.
  • the rotation direction and the traveling direction of the rotation tool F were set so as to be on the side and the sealing body 3 side was on the flow side.
  • the stirring action by the stirring pin F2 around the first butt portion J1 is enhanced, and the temperature rise in the first butt portion J1 can be expected. Can be joined more reliably.
  • the shear side means the side where the relative speed of the outer circumference of the rotating tool with respect to the jointed portion is the value obtained by adding the magnitude of the moving speed to the magnitude of the tangential velocity on the outer circumference of the rotating tool. ..
  • the flow side refers to the side where the relative speed of the rotating tool with respect to the jointed portion becomes low due to the rotation of the rotating tool in the direction opposite to the moving direction of the rotating tool.
  • the first aluminum alloy of the jacket body 2 is a material having a higher hardness than the second aluminum alloy of the sealing body 3. Thereby, the durability of the liquid-cooled jacket 1 can be enhanced. Further, it is preferable that the first aluminum alloy of the jacket body 2 is an aluminum alloy casting material and the second aluminum alloy of the sealing body 3 is an aluminum alloy wrought material.
  • an Al—Si—Cu based aluminum alloy casting material such as JIS H5302 ADC12 as the first aluminum alloy
  • the castability, strength, machinability, etc. of the jacket body 2 can be improved.
  • JIS A1000 series or A6000 series as the second aluminum alloy, processability and thermal conductivity can be improved.
  • the plate thickness of the sealing body 3 is made larger than the height dimension of the step side surface 12b, but both may be the same. Further, the step side surface 12b may not be inclined and may be perpendicular to the step bottom surface 12a.
  • the present invention is not limited to this.
  • the present invention is not limited to the shape of the liquid-cooled jacket, and may be a friction stir welding for joining a first member having a stepped portion and a second member arranged at the stepped portion. Can be applied.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that the support column 15 of the jacket body 2A and the sealing body 3A are joined.
  • a preparation step, a mounting step, a main joining step, and an inspection step are performed.
  • a first main joining step and a second main joining step are performed.
  • the parts different from the first embodiment will be mainly described.
  • the jacket body 2A and the sealing body 3A are prepared.
  • the jacket body 2A includes a bottom portion 10, a peripheral wall portion 11, and a plurality of columns 15 (four in the present embodiment).
  • the column 15 is erected from the bottom 10 and exhibits a columnar shape.
  • a tapered protrusion 16 is formed at the tip of the support column 15.
  • a strut step portion 17 is formed on the tip end side of the strut 15.
  • the strut step portion 17 is composed of a step bottom surface 17a and a step side surface 17b inclined from the step bottom surface 17a toward the center of the axis.
  • a hole 4 is formed at a corresponding position of the support column 15. The hole 4 is sized so that the protrusion 16 can be inserted.
  • the mounting process is a step of mounting the sealing body 3A on the jacket body 2A.
  • the first butt portion J1 is formed as in the first embodiment.
  • the step side surface 17b of the column step portion 17 and the hole wall 4a of the hole portion 4 are abutted to form the third abutment portion J3.
  • the step bottom surface 17a of the column step portion 17 and the back surface 3b of the sealing body 3A are overlapped to form the fourth butt portion J4.
  • a first joining step of joining the first butt portion J1 and a second butt portion J2 and a second joining step of joining the third butt portion J3 and the fourth butt portion J4 are performed. Since the first main joining step is the same as the main joining step of the first embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the upper side of the outer peripheral surface of the stirring pin F2 is slightly brought into contact with the upper part of the step side surface 17b of the column step portion 17, and the lower side of the outer peripheral surface of the stirring pin F2 is touched. It is set so as not to come into contact with the step side surface 17b of the support step portion 17.
  • the bottom surface F1a of the shoulder portion F1 is in contact with the surface 3a of the sealing body 3A and the surface 16a of the protruding portion 16.
  • the flat surface F3 of the stirring pin F2 is inserted so as to be slightly deeper than the step bottom surface 17a of the column step portion 17.
  • a plasticized region W2 is formed in the movement locus of the rotation tool F, and a coarse and dense portion Z is formed in the lower portion of the plasticized region W2 near the outside of the step side surface 17b. It is formed.
  • the coarse-dense portion Z is a region where the stirring of the plastic fluid material is insufficient, and is a region where the plastic fluid material is coarser and denser than other portions.
  • the coarse and dense portion Z is formed continuously or intermittently in the plasticized region W2.
  • the method and conditions for forming the densely packed portion Z are the same as those in the first embodiment.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, since the support column 15 and the sealing body 3A are joined, the joining strength can be increased. Further, by forming the coarse and dense portion Z in the vicinity of the outer side of the base end side of the protruding portion 16 in the plasticized region W2, the movement locus of the rotating tool F around the support column 15 can be confirmed in the inspection step.

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Abstract

回転する回転ツール（Ｆ）の攪拌ピン（Ｆ２）の先端を段差底面（１２ａ）と同一の深さか、それよりもわずかに深く挿入し、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）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。

Description

液冷ジャケットの製造方法及び摩擦攪拌接合方法
　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、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。
　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、を摩擦攪拌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、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、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、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先端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封止体に接触させつつ、前記攪拌ピン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、ショルダ部の底面を封止体の表面に接触させつつ、攪拌ピン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、攪拌ピンを段差底面と同一かそれよりもわずかに深く挿入するため、第二突合せ部における接合強度を高めつつ、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。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、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、を摩擦攪拌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、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、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、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先端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封止体に接触させつつ、前記攪拌ピン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、ショルダ部の底面を封止体の表面に接触させつつ、攪拌ピン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、攪拌ピンを段差底面と同一かそれよりもわずかに深く挿入するため、第二突合せ部における接合強度を高めつつ、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。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、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、を摩擦攪拌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、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、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、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先端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封止体に接触させつつ、前記攪拌ピン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、ショルダ部の底面を封止体の表面に接触させつつ、攪拌ピン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、攪拌ピンを段差底面と同一かそれよりもわずかに深く挿入するため、第二突合せ部における接合強度を高めつつ、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。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、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、前記回転ツールの攪拌ピン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、前記回転ツールの攪拌ピン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、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、摩擦攪拌で用いる前記回転ツールは、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、前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、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先端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第二部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピン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。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。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。
　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。図３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を挿入し、ショルダ部Ｆ１の底面Ｆ１ａを封止体３の表面３ａに接触させつつ移動させる。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。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（図１参照）よりも小さく設定している。本接合工程では、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、攪拌ピンＦ２の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。攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３は、段周壁差部１２の段差底面１２ａと同一の高さでもよいが、本実施形態では周壁段差部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。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、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、攪拌ピンＦ２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、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、封止体３の厚さを段差側面１２ｂよりも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、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。
　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。ショルダ部Ｆ１の底面Ｆ１ａは封止体３Ａの表面３ａおよび突出部１６の表面１６ａに接触させた状態とする。攪拌ピンＦ２の平坦面Ｆ３は、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。
　図１１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。
　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　　ショルダ部
　Ｆ１ａ　底面
　Ｆ２　　攪拌ピン
　Ｆ３　　平坦面
　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、を摩擦攪拌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、
    　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、
    　前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、
    　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先端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封止体に接触させつつ、前記攪拌ピン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、を摩擦攪拌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、
    　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、
    　前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、
    　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先端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封止体に接触させつつ、前記攪拌ピン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、を摩擦攪拌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、
    　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、
    　前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、
    　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先端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封止体に接触させつつ、前記攪拌ピン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. 　前記回転ツールの攪拌ピン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、
    　前記回転ツールの攪拌ピン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３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３のいずれか一項に記載の液冷ジャケットの製造方法。
  7. 　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、
    　摩擦攪拌で用いる前記回転ツールは、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、
    　前記攪拌ピンの外周面は先細りとなるように傾斜しており、
    　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先端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第二部材の表面に接触させつつ、前記攪拌ピン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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