JP6338770B2 - 摩擦攪拌接合方法 - Google Patents
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Description
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (8)
- 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ことを特徴とする摩擦攪拌接合方法。 - 前記被接合部材は、第1の被接合部材と第2の被接合部材が重ね合せて配置されていることを特徴とする請求項1に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 円形もしくは楕円形の接合軌跡を有し、前記接合部の深さが徐々に浅くなるように螺旋状に前記接合ツールを持ち上げることで、前記摩擦攪拌接合の前記終端から前記接合ツールを抜去することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記被接合部材は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金と、銅もしくは銅合金であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記被接合部材は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金と、銅もしくは銅合金を組み合わせたものであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記被接合部材は、内部に冷媒を有する冷却器の筐体であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記被接合部材は、半導体デバイスが実装された半導体デバイス用冷却器の筐体であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法。
- 前記摩擦攪拌接合における前記接合ツールを抜去する前記終端は、前記摩擦攪拌接合の前記始端とオーバーラップされていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の摩擦攪拌接合方法。
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