JP4126966B2 - 本体と蓋の接合構造体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は本体内部に溝を有し、該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われ、該本体と蓋が接合された冷却板，吸引板などの構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本体に切削加工などでＩ字型，Ｕ字型，Ｓ字型，Ｗ字型，円型，螺旋型などの形状の溝を形成し、該本体に蓋を被せ接合した構造体は、例えば冷却板，吸引板などとして利用されている。特開２００１−３１３３５７号公報には、本体に形成された溝を該溝よりわずかに大きい蓋で覆い、摩擦攪拌接合により突合せ接合する方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術に記載の突合せ接合では、本体に形成された溝がＵ字型であれば、蓋も同様にＵ字型にあわせ加工せねばならず、加工に手間とコストがかかる。これに対し、蓋を本体よりわずかに小さい外寸法とし、蓋の周囲は本体と突合せ接合し、蓋の内側部は本体と重ね接合することにより、いくつかのメリットがでる。１つ目は、蓋は溝とあわせ加工しなくてもよく、蓋の加工に要した手間とコストが軽減される。２つ目は、溝を封止するために必要な接合個所を突合せ接合の場合よりも減らすことができる。しかし、重ね接合した場合には、突合せ接合した場合に比べて接合深さが大きくなりやすく、熱歪が生じて重ね部にギャップが生じ接合品質が悪くなり易い。
【０００４】
本発明の目的は、溝を有する本体と蓋とを摩擦攪拌接合技術により接合した接合体において、重ね接合を行った場合の熱歪を低減できるようにしたことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、接合される部位に沿った蓋の表面に溝状の凹部を形成し、摩擦攪拌接合法により該溝状の凹部に沿って接合することにより、重ね接合した場合でも接合深さを大きくしないですむようにしたものである。
【０００６】
本発明の一実施形態では、接合される部位に沿った蓋の表面に溝状の凹部が形成され、該蓋は該本体とほぼ同じ外寸法を有し、摩擦攪拌接合法により該溝状の凹部に沿って重ね接合される。
【０００７】
他の実施形態では、接合される部位に沿った蓋および本体の表面に溝状の凹部を有し、蓋は本体よりわずかに小さい外寸法を有し、摩擦攪拌接合法により該溝状の凹部に沿って該蓋の周囲は該本体と突合せ接合され、該蓋の内側部は重ね接合される。
【０００８】
本発明において、前記溝の形状は、Ｉ字型，Ｕ字型，Ｓ字型，Ｗ字型，円型，螺旋型など任意である。本体および蓋の材料は、たとえば銅，銅合金，アルミニウムおよびアルミニウム合金である。本発明の接合構造体は、前記溝を冷媒の通路とする冷却板あるいは前記溝を潤滑剤の通路とする部品等に使用される。また、本体または蓋のいずれかに微細な貫通孔を形成し、本体に形成された溝を吸引用の通路とする吸引板としても使用できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を説明する前に、摩擦攪拌接合により突合せ接合する場合と、重ね接合する場合とについて、図１０及び図１１を用いて説明する。
【００１０】
突合せ接合する場合には、溝２を有する本体１と蓋３の突合せ面にツール４を挿入する。ツール４は、ショルダー５及びピン６からなる。摩擦攪拌接合では、ツールを設計する場合、通常接合深さとほぼ同等になるようにピンの長さを設計する。接合深さが大きくなるほど、ショルダー５の直径も大きくなる。摩擦攪拌接合における熱源は、ツール４と被接合材との摩擦熱である。ショルダー５の直径が大きいほど、接合入熱は増加し、接合後の接合変形が大きくなる。被接合材の材質，全板厚が同じ場合、一般には接合深さが大きくなるほど接合変形は大きくなる。図１１に示すように重ね接合した場合、被接合材の材質が突合せ接合の場合と同じであれば、接合深さは必然的に突合せ接合の場合よりも大きくなる。すなわちツール４も大きくなり、接合変形も大きくなる。特に摩擦攪拌接合では、入熱はツール４の摩擦熱で材料に投入され、被接合材中にはその熱拡散で伝達する。すなわち図１１の場合、ツール４を被接合材に挿入する際、まず蓋３に熱が入り、ツール４の挿入とともに本体にも熱が入る。温度は蓋３で高く、本体１で低く部材間での温度勾配が形成される。このため蓋３の熱膨張が大きくなり、熱変形は蓋３で大きくなる。蓋３が変形した場合、蓋３と本体１の重ね部にギャップが生じ、本体１への入熱が十分に行われず、接合品質に問題をきたす。したがって重ね接合では、蓋３の変形抑制が最も重要な施工因子となる。もちろんジグ等で強固に蓋３を固定することも有効ではあるが、本質的な問題は、ツール４を小型化し接合入熱を低減することにある。なおツール材料を高強度とし、ツールを小型化することも一つの手法ではあるが、ツール材料が同一の場合、やはりツール形状を小型化する必要がある。
【００１１】
次に本発明について説明する。図１に示すような予め切削加工により溝２が形成された本体１のＡ−Ａ′断面が図２である。これに蓋３を被せた様子を図３に示す。本体１および蓋３の接合される部位には予め切削加工により凹部７が形成されている。次に図４に示すように回転するツール４を各接合部位に沿って走査し、接合を実施する。接合は、図６に示すように突合せ接合部８と重ね接合部９ａ，９ｂ，９ｃが形成される。本体に予め形成される溝は、Ｉ字型，Ｕ字型，Ｓ字型，Ｗ字型，円型，螺旋型などである。本体および蓋の材質は、アルミニウム，アルミニウム合金，銅あるいは銅合金などである。前記構造体は、冷却板，吸引板などである。このような構造体は、接合後に接合変形を矯正した後、構造体表裏面を最終的には研削し、図９に示すように平坦かつ平行に仕上げることが一般的である。したがって本体１および蓋３の接合される部位に予め切削加工により形成される凹部７の深さは、最終的に研削する仕上げ代より小さければよい。また蓋３のうちで接合経路以外の部分の板厚が極力厚いことにより、蓋３の面剛性が向上するため、蓋の変形防止の効果がある。また接合に使用するツール４は、凹部７がない場合に比較して小さくできるため、接合入熱が減少し接合変形が小さくなり、矯正工程が軽減され構造体の製造コストおよび時間が軽減される。
【００１２】
（実施例１）
本発明に従い、銅製の冷却板を製造した。本体１には、図１に示すように予め切削加工により蛇行した溝２が形成されている。本体１の材質は無酸素銅であり、形状は長さ６００mm，幅３００mm，最大厚さ１５mmである。溝２はＷ字型に形成され、深さは５mmである。本体１のＡ−Ａ′断面が図２であり、これに蓋３を図３に示すように被せる。蓋３の材質も同様に無酸素銅であり、最大厚さ４mmである。本体１および蓋３の接合される部位には予め切削加工により凹部７が形成されている。すなわち蓋３と突合せ接合される部位の本体１の板厚は１４mmであり、本体１と重ね接合される部位の蓋の板厚は３mmである。
【００１３】
接合手順は次の通りである。まず蓋３の外周部をショルダー直径１３mm，ピン直径４mm，長さ１mmのツールを用いて、長さ２０mm，間隔１００mmで仮付けした。ツール回転数および接合速度は、それぞれ１４００rpm および２００mm／min とした。次に図４に示すように回転するツール４を用いて本体１と蓋３の接合を実施した。ツール４はショルダー直径１４mm，ピンの大径部直径６mm，小径部直径４mm，長さ５mmの形状とした。ツール４の回転数は１４００rpm とした。まず回転するツール４を接合部にゆっくりと挿入した後、接合線に沿って移動した。接合速度は３００mm／min とした。図５に示すように、蓋３の外周部１０を突合せ接合した後、蓋３の内側の重ね接合線１１ａ，１１ｂ，１１ｃの順に重ね接合した。なお摩擦攪拌接合では、接合終端部にピン部の形状に相当する孔が残存する。本実施例では、図示していない長さ方向の削り代の部位に終端部を形成した。接合後、図６に示すように突合せ接合部８と重ね接合部９ａ，９ｂ，９ｃが形成される。図７および図８に、突合せ接合部８および重ね接合部９ａのミクロ組織を示す。いずれの場合も蓋３および本体１は隙間や欠陥なく強固に接合されている。なお接合ままの段階での長手方向の反りは、約１.２mm であり十分に小さい。矯正により冷却板を平坦化した後、表面研削により仕上げ、上面最大切削量１.５mm ，下面最大切削量０.５mm として図９に示すように全厚１３.０mm とした。
【００１４】
【表１】

【００１５】
表１に本実施例の方法により形成された溝２の耐圧性を、Ｈｅリークテストにより評価した結果を示す。リークテストは１×１０^-7Ｐａでの漏洩試験であり、比較材として現用の電子ビーム溶接材を用いた。本実施例により摩擦攪拌接合した場合、不良率は０％で全数合格であったが、電子ビーム溶接材では不良率は５％と高い。この場合、漏洩部を再度補修せねばならず、補修のコストも考慮すると摩擦攪拌接合は非常にコストメリットが高い。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、摩擦攪拌接合により接合した蓋と本体からなる構造体は、接合に伴う熱歪が小さいため高品質である。
【図面の簡単な説明】
【図１】溝を有する本体を示す平面図。
【図２】溝を有する本体を正面からみた断面図。
【図３】本体に蓋をかぶせた状態を示す断面図。
【図４】本体と蓋の接合の施工方法を示す断面図。
【図５】本体と蓋の接合の施工手順を示す平面図。
【図６】本体と蓋の接合施工後を示す断面図。
【図７】本発明の実施例による突合せ接合部のミクロ組織図。
【図８】本発明の実施例による重ね接合部のミクロ組織図。
【図９】本発明の実施例による構造体の最終仕上げ後の断面図。
【図１０】突合せ接合の例を示す断面図。
【図１１】重ね接合の例を示す断面図。
【符号の説明】
１…本体、２…溝、３…蓋、４…ツール、５…ショルダー、６…ピン、７…凹部、８…突合せ接合部、９ａ，９ｂ，９ｃ…重ね接合部、１０…外周部、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…重ね接合線。

Claims (7)

1. 本体内部に溝を有し、該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われ、該本体と蓋が接合された構造体において、接合される部位に沿った該蓋の表面に溝状の凹部を有し、摩擦攪拌接合法により該溝状の凹部に沿って接合されていることを特徴とする接合構造体。
2. 本体内部に溝を有し、該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われ、該本体と蓋が接合された構造体において、接合される部位に沿った該蓋の表面に溝状の凹部が形成され、該蓋は該本体とほぼ同じ外寸法を有し、摩擦攪拌接合法により該溝状の凹部に沿って重ね接合されていることを特徴とする接合構造体。
3. 本体内部に溝を有し、該溝が該溝より幅の大きい蓋で覆われ、該本体と蓋が接合された構造体において、接合される部位に沿った該蓋および該本体の表面に溝状の凹部を有し、該蓋は該本体よりわずかに小さい外寸法を有し、摩擦攪拌接合法により該溝状の凹部に沿って該蓋の周囲は該本体と突合せ接合され、該蓋の内側部は重ね接合されていることを特徴とする接合構造体。
4. 請求項１〜３のいずれか１つにおいて、前記溝はＩ字型，Ｕ字型，Ｓ字型，Ｗ字型，円型，螺旋型の少なくとも一つであることを特徴とする接合構造体。
5. 請求項１〜４のいずれか１つにおいて、前記本体および蓋が銅，銅合金，アルミニウムおよびアルミニウム合金のいずれかからなることを特徴とする接合構造体。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の接合構造体において、前記本体に形成された溝が冷媒用の通路であり冷却板として使用されることを特徴とする接合構造体。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の接合構造体において、前記本体に形成された溝が潤滑剤用の通路であることを特徴とする接合構造体。

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