(57)【要約】  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できる摩擦攪拌接合方法と接合構造体を得る。摩擦攪拌接合方法は、金属からなる被接合部材（４）を準備する工程と、円錐台形状を有するショルダー部（２）と、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）とから構成された接合ツール（１）を準備する工程と、被接合部材（４）の摩擦攪拌接合をおこなう始端に接合ツール（１）を回転させながら挿入する工程と、接合ツール（１）を回転させながら被接合部材（４）の接合部を攪拌する工程と、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）を抜去する工程と、を有する。
2016163214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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に記載の摩擦攪拌接合方法。
【請求項４】
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により接合された前記接合部を備えたことを特徴する接合構造体。
【請求項５】
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４に記載の接合構造体。
【請求項６】
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４に記載の接合構造体。
【請求項７】
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４から請求項６のいずれか１項に記載の接合構造体。
【請求項８】
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４から請求項６のいずれか１項に記載の接合構造体。
【請求項９】
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５から請求項８のいずれか１項に記載の接合構造体。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、摩擦攪拌接合方法および接合構造体に関し、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および接合構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４６８７７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の摩擦攪拌接合方法と接合構造体にあっては、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と接合構造体を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、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、を有するものである。
【発明の効果】
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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。
【図２Ａ】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。
【図２Ｂ】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。
【図３】この発明の実施の形態１における摩擦攪拌接合方法を示す模式図である。
【図４】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。
【図５】この発明の実施の形態２における摩擦攪拌接合方法を示す模式図である。
【図６Ａ】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。
【図６Ｂ】図６ＡのＡ−Ａ線の断面図である。
【図７Ａ】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。
【図７Ｂ】図７ＡのＢ−Ｂ線の断面図である。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図３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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
本願発明の実施の形態１の摩擦攪拌接合方法では、接合線状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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【符号の説明】
【００３３】
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  
【図１】
2016163214.tif 000003
【図２Ａ】
2016163214.tif 000004
【図２Ｂ】
2016163214.tif 000005
【図３】
2016163214.tif 000006
【図４】
2016163214.tif 000007
【図５】
2016163214.tif 000008
【図６Ａ】
2016163214.tif 000009
【図６Ｂ】
2016163214.tif 000010
【図７Ａ】
2016163214.tif 000011
【図７Ｂ】
2016163214.tif 000012
【図８】
2016163214.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月15日(2017.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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、を有することを特徴とする摩擦攪拌接合方法。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
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。 
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
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。
【国際調査報告】
2016163214.tif 000014
2016163214.tif 000015
2016163214.tif 000016
2016163214.tif 000017