JP7246161B2 - 接合体 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦撹拌接合によって接合される接合体に関するものである。

従来、産業用、自動車用などに用いる半導体を製造する半導体製造装置や、液晶ディスプレイを製造する液晶製造装置においては、ワークを保持するためのプレートに冷却機能を備えた熱交換板が用いられることが知られている。熱交換板は、金属やセラミックス複合体からなり、加温用または冷却用の媒体が移動する流路が形成された本体部がカバーで覆われている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１では、カバー側からツールを導入し、流路の近傍に至る領域を摩擦撹拌することによって本体部とカバーとを接合している。

特開２００８－２５４０４７号公報

しかしながら、流路近傍に至る領域を撹拌しているため、撹拌されて本体部が軟化することによって、流路が変形してしまうおそれがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流路が変形することを抑制しつつ、本体部とカバーとを摩擦撹拌接合によって接合することができる接合体を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる接合体は、熱交換を促す媒体を流通させる流路を形成する壁部を有する本体部と、前記本体部の前記流路の形成面を覆うカバーと、を備え、前記カバーは、前記本体部と対向する側に設けられ、前記本体部の流路形成面を覆う被覆部と、前記本体部と対向する側に設けられ、前記壁部の先端部を収容する溝部と、前記被覆部および前記溝部が設けられている側と反対側に設けられ、少なくとも一部において、前記本体部に対向する側と反対側の表面から、前記溝部の底部に至る深さまで摩擦撹拌されてなり、前記壁部の先端と接合している撹拌接合部と、を有することを特徴とする。

また、本発明にかかる接合体は、上記の発明において、前記壁部の幅をＤ、前記カバーの厚さをＴ₁、前記溝部の深さをＴ₂としたときに、１＜Ｔ₁／Ｔ₂＜３の関係を満たすことを特徴とする。

また、本発明にかかる接合体は、上記の発明において、前記撹拌接合部は、前記カバーにおける前記本体部側と反対側の表面全体に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、流路が変形することを抑制しつつ、本体部とカバーとを摩擦撹拌接合によって接合することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施の形態にかかる熱交換板の構造を示す部分断面図である。 図２は、図１に示す領域Ｒを拡大した断面図である。 図３は、本発明の一実施の形態にかかる熱交換板の製造方法を説明する断面図である。 図４は、本発明の一実施の形態にかかる熱交換板の製造方法を説明する断面図である。 図５は、摩擦撹拌による接合結果を示す図である。 図６は、摩擦撹拌による接合結果を示す図である。 図７は、摩擦撹拌による接合結果を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、および位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。すなわち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、および位置関係のみに限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施の形態にかかる熱交換板の構造を示す部分断面図である。図２は、図１に示す領域Ｒを拡大した断面図である。図１に示す熱交換板１は、円板状の本体部１０と、本体部１０の一方の面（ここでは上面）を覆うカバー２０とを備える。熱交換板１は、本体部１０とカバー２０とが摩擦撹拌接合によって接合された接合体である。

本体部１０は、アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる円板状をなす。本体部１０には、熱交換を促す媒体を流通させる流路（例えば、図１に示す流路１１～１３）が形成されている。流路間には、本体部１０の流路形成に面において、他の部分よりも突出している壁部（例えば、図２に示す壁部１４、１５）が設けられている。流路１１～１４は、連通して一つの流路を形成するものであってもよいし、少なくとも一部が独立した流路を形成するものであってもよい。また、媒体は、例えば水等の液体や、気体である。

カバー２０は、アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる円板状をなす。カバー２０は、本体部１０の流路形成面を覆っている。
本体部１０とカバー２０とは、後述する摩擦撹拌によって接合される。
カバー２０は、流路を覆う被覆部２１と、摩擦撹拌された後に固化してなる撹拌接合部２２とを有する。被覆部２１には、本体部１０の壁部（例えば壁部１４、１５）の一部を収容する溝部２３が形成されている。溝部２３は、収容する壁部に沿って形成される。

熱交換板１では、図示しない媒体流入口から媒体を導入して流路に流通させ、図示しない媒体排出口から媒体を排出する。熱交換板１では、熱源から伝達された熱を、本体部１０及びカバー２０を介して外部に放出するか、または、熱源から伝達された熱を吸収した媒体が流路から排出される。

次に、熱交換板１の作製方法について説明する。図３および図４は、本発明の一実施の形態にかかる熱交換板の製造方法を説明する断面図である。

まず、上述した流路（例えば流路１１～１３）および壁部（例えば壁部１４、１５）が形成された本体部１０と、カバー２０を形成するカバー用母材２００とを用意する（図３参照）。そして、本体部１０にカバー用母材２００を被せる。この際、本体部の壁部の先端部が、カバー用母材２００に形成されている溝部２３に収容される。

ここで、本体部１０における壁部の幅（流路間の距離）をＤ、カバー用母材２００の厚さをＴ₁、溝部２３の深さをＴ₂とする（図３参照）。壁部の幅Ｄ、カバー用母材２００の厚さＴ₁、溝部２３の深さＴ₂は、以下の関係を満たしている。
Ｔ₂／Ｄ＞１
１＜Ｔ₁／Ｔ₂＜３

続いて、本体部１０とカバー用母材２００とを摩擦撹拌により接合する（図４参照）。摩擦撹拌では、撹拌部材１００を用いて母材１１０の撹拌処理を行う。撹拌部材１００は、先端にプローブ１０１を同軸上に有するショルダ２０２を備える。プローブ１０１およびショルダ１０２は、円筒状をなし、プローブ１０１の外径はショルダ１０２の外径より小さい。ショルダ１０２は、自身の中心軸Ｎ₁₀₀のまわりに回転可能である（矢印Ｙ１）。ショルダ１０２が回転すると、ショルダ１０２に取り付けられているプローブ２０１も連動して回転する。

この際、撹拌部材１００は、カバー用母材２００の表面に垂直な軸Ｎ_P（厚さ方向に対応）に対して、中心軸Ｎ₁₀₀が角度θだけ傾斜していることが好ましい。この角度θは、例えば３°であり、ショルダ１０２が撹拌部材１００の進行方向（図４に示すブロック矢印）側に向くように傾斜している。

カバー用母材２００において、溝部２３が形成されている面と反対側の面から溝部２３の底部に到達する程度の深さ（例えば図４に示す破線）が、撹拌部材１００によって撹拌される。例えば、溝部２３が形成されている側と反対側の表面から、深さ（Ｔ₁－Ｔ₂）まで撹拌部材１００によって撹拌される。

摩擦撹拌では、ショルダ１０２を回転させながらカバー用母材２００の表面に押し当てることで発生した摩擦熱によりカバー用母材２００と、本体部１０の壁部の先端部とが軟化して、さらにショルダ１０２の回転力によって当接部周辺が塑性流動して練り混ざり、その後固化することでカバー用母材２００と本体部１０とが接合する。これにより、被覆部２１および撹拌接合部２２を有するカバー２０が形成される。このように、本実施の形態では、本体部１０において、カバー用母材２００に対し、該本体部１０と接する側と反対側の表面に近い部分が摩擦撹拌接合によって接合される。
摩擦撹拌を用いることにより、撹拌後の金属組織が微細化するため、鋳造材と比して硬度を高くすることができる。また、摩擦撹拌は、接合後の残留応力や変形が、溶融溶接した場合の残留応力や変形と比して小さい。

摩擦撹拌では、ショルダ１０２を、中心軸Ｎ₁₀₀のまわりに回転（自転：図４の矢印Ｙ１）させながら、カバー用母材２００の上面全体を撹拌する。

なお、上述した処理によって作製された接合体（接合体１）は、壁部（例えば壁部１４、１５）の撹拌量（溶融量）がごく微量であるため、上述した本体部１０の壁部の幅Ｄ、カバー２（カバー用母材２００）の厚さＴ₁、溝部２３の深さＴ₂について、Ｔ₂／Ｄ＞１、１＜Ｔ₁／Ｔ₂＜３の関係を満たしている。

ここで、上述したＴ₂／Ｄ＞１の関係を満たす場合と、満たさない場合とにおける摩擦撹拌接合について、図５～図７を参照して説明する。図５～図７は、摩擦撹拌による接合結果を示す図である。図５～図７において、（ａ）は、接合体の上面をそれぞれ示しており、（ｂ）は、Ａ₅－Ａ₅線、Ａ₆－Ａ₆線、Ａ₇－Ａ₇線に対応する断面をそれぞれ示している。接合体の図５および図６は、Ｔ₂／Ｄ＞１の関係を満たす場合の接合結果を示している。これに対し、図７は、Ｔ₂／Ｄ＞１の関係を満たしていない場合の接合結果を示している。図５～図７では、流路に沿って摩擦撹拌した例を示している。具体的に、例えば、図５の（ａ）では、撹拌部材を時計回りに回転させながら、図の上方向に進行させて摩擦撹拌した。この際の撹拌部材の進行速度を４００ｍｍ／ｍｉｎ、撹拌部材の回転数を１５００ｒｐｍ（回転ピッチ：０．２６ｍｍ／ｒ）、上述した角度θを３°とした。なお、上記の各条件は接合体の材質、サイズ等により適宜変更することができる。

図５～図７に示す接合では、壁部の幅Ｄが３．６ｍｍの試験片（本体部）を用いた。また、図５は、溝部２３の深さＴ₂が４．０ｍｍの試験片（カバー用母材）を用いた例を示している。図６は、溝部２３の深さＴ₂が５．０ｍｍの試験片（カバー用母材）を用いた例を示している。図７は、溝部２３の深さＴ₂が３．０ｍｍの試験片（カバー用母材）を用いた例を示している。図５、６はＴ₂／Ｄ＞１の関係を満たし、図７はＴ₂／Ｄ＞１の関係を満たしていない。

図５および図６から分かるように、Ｔ₂／Ｄ＞１の関係を満たしていれば、流路が変形することなく接合されるため好ましい。これに対し、図７は、領域Ｒ₁₀₀において部材の変形、および表面欠陥（欠陥Ｒ₁₀₁）が生じている。

上述した実施の形態では、カバー２０の表面であって、該本体部１０と接する側と反対側の表面に近い部分を摩擦撹拌接合によって接合するようにした。このように、本体部１０における流路（例えば流路１１～１３）から離れた位置を摩擦撹拌することによって、流路が変形することを抑制しつつ、本体部とカバーとを摩擦撹拌接合によって接合することができる。

なお、上述した実施の形態では、カバー用母材２００の表面全体を撹拌するものとして説明したが、表面の一部を撹拌して、本体部１０とカバー２０とが接合されればよい。例えば、カバー用母材２００において、溝部２３に対応する表面を撹拌部材１００によって撹拌するようにしてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。

以上説明したように、本発明に係る接合体は、流路が変形することを抑制しつつ、本体部とカバーとを摩擦撹拌接合によって接合するのに好適である。

１ 熱交換板
１０ 本体部
１１～１３ 流路
１４、１５ 壁部
２０ カバー
２１ 被覆部
２２ 撹拌接合部
２３ 溝部
２００ カバー用母材

Claims (3)

1. 熱交換を促す媒体を流通させる流路を形成する壁部を有する本体部と、
   前記本体部の前記流路の形成面を覆うカバーと、
   を備え、
   前記カバーは、
   前記本体部と対向する側に設けられ、前記本体部の流路形成面を覆う被覆部と、
   前記本体部と対向する側に設けられ、前記壁部の先端部を収容する溝部と、
   前記被覆部および前記溝部が設けられている側と反対側に設けられ、少なくとも一部において、前記本体部に対向する側と反対側の表面から、前記溝部の底部に至る深さまで摩擦撹拌されてなり、前記壁部の先端と接合している撹拌接合部と、
   を有することを特徴とする接合体。
2. 前記壁部の幅をＤ、前記カバーの厚さをＴ₁、前記溝部の深さをＴ₂としたときに、Ｔ ₂ ／Ｄ＞１、１＜Ｔ₁／Ｔ₂＜３の関係を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載の接合体。
3. 前記撹拌接合部は、前記カバーにおける前記本体部側と反対側の表面全体に形成される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の接合体。

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