JP2022504941A - 溶接可能なアルミニウムシートならびに関連する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

アルミニウム合金を抵抗スポット溶接する方法は、例えば、アノード接触面をグリットブラストすることによって、接合面をより高い抵抗にしたままで、アノードと接触するスタックアップの外面の電気抵抗を低減することを含む。例えば耐熱性金属含有を伴う高抵抗電極が、使用されてもよい。三つ以上の部材のスタックアップを使用してもよい。シート材料は、より低い抵抗面及びより高い抵抗面を有するように調製されてもよく、より高い抵抗面を有する他のシートと共に使用されてもよい。スタックアップのカソード接触面もまた、抵抗を減少させ得る。方法及びシートは、車両本体を組み立てるのに使用され得る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、共同所有されている同時係属中の２０１８年１０月２２日に出願された「ＷＥＬＤＡＢＬＥ ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＳＨＥＥＴ ＡＮＤ ＡＳＳＯＣＩＡＴＥＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ（溶接可能なアルミニウムシートならびに関連する方法及び装置）」と題する、米国仮特許出願第６２／７４８，７３０の関連出願であり、優先権を主張するものであり、その全内容は参照することによりここに組み込まれる。

本発明は、溶接による材料の接合に関し、より具体的には、電気抵抗溶接によるアルミニウム合金材料の接合のための方法装置及び材料に関する。

鋼の抵抗スポット溶接（ＲＳＷ）は、多くの場合ロボット溶接機器を用いて、例えば、自動車の製造においてなど、多くの産業用途で使用される。鋼のＲＳＷは、高速かつ低コストのプロセスで、幅広い金属ゲージに柔軟に対応し、操作及び自動化が容易である。鋼のＲＳＷと比較して、類似したゲージのアルミニウムシートは、典型的には、より短い時間で、より高い溶接電流を必要とする。これに対処するために、電極の清浄、サーフェシング、及び機械加工、スタックアップとの接触時に電極をひねる、清浄及び変換コーティングによるシートのコーティング、ならびに電極とスタックアップとの間の犠牲インサートの使用などの試みがなされてきた。にもかかわらず、現在、鋼板を抵抗溶接するメーカーにとって、アルミニウムを直接接合セルに代用することは依然として困難である。したがって、ＲＳＷを介してアルミニウムシートを接合するための代替的な方法及び装置は、いまだ当該分野の関心事である。

本開示の主題は、抵抗溶接の方法に関し、（Ａ）アルミニウムから少なくとも部分的に構成された第一の部材を提供する工程、（Ｂ）アルミニウムから少なくとも部分的に構成された第二の部材を提供する工程であって、第一の部材及び第二の部材の各々が、第一の電気抵抗を有する第一の外面と、第二の電気抵抗を有する第二の外面と、第三の電気抵抗を有する内部とを有する、第二の部材を提供する工程、（Ｃ）より低い抵抗面を生成するために、第一の部材の第一の外面の少なくとも一部分の電気抵抗を減少させる工程であって、第一の部材の第二の外面は、より低い抵抗面よりも高い電気抵抗を保持し、より高い抵抗面である、減少させる工程、（Ｄ）第一の部材をより高い抵抗面で第二の部材に接して配置して、第二の部材の第一又は第二の外面のいずれかに当接させ、二層スタックアップを作る工程、（Ｅ）アノード及びカソードを有する電気抵抗溶接機を提供する工程、（Ｆ）スタックアップの、アノードをより低い抵抗面に接して位置付け、カソードを第二の部材に接して位置付ける工程、及び（Ｇ）溶接電流をスタックアップに通過させる工程であって、第一の部材と第二の部材との間の当接面で溶接部を生成する、通過させる工程を含む。

別の実施形態では、減少させる工程は、第一の外面をグリットブラストすることによってである。

別の実施形態では、グリットブラストは、３０μｉｎ～３００μｉｎの表面粗さを生じる酸化アルミニウムグリットを用いて実施される。

別の実施形態では、減少させる工程は、化学処理による。

別の実施形態では、当接面はミル仕上げ表面である。

別の実施形態では、第一及び第二の部材の第一及び第二の外面は酸化物層を含み、酸化物層は減少させる工程の間、より低い抵抗面上で薄くなる。

別の実施形態では、第一の部材及び第二の部材の少なくとも一つはシートである。

別の実施形態では、第一の部材及び第二の部材の両方はシートである。

別の実施形態で、通過させる工程の後にアノードをドレッシングする工程をさらに含むこと、及びここで通過させる工程は、ドレッシングの各工程を実施する前に２００回以上実施される。

別の実施形態で、第二の部材の第一の外面の電気抵抗を減少させて第二のより低い抵抗面を生成する工程をさらに含むこと、位置付ける工程の間、第二のより低い抵抗面に接して位置付けられるカソード。

別の実施形態で、少なくとも部分的にアルミニウムから構成された第三の部材を提供する工程であって、ここで第一の部材及び第二の部材のスタックアップは、二層スタックアップである、提供する工程と、二層スタックアップを第三の部材に当接して配置して三層スタックアップを生成する工程であって、二層スタックアップの第三の部材との当接面の各々は接合面である、生成する工程と、をさらに含むこと。

別の実施形態では、第一又は第二の部材の第一及び第二の表面のうちの少なくとも一つの上に配置された潤滑剤は、通過させる工程の間、表面上に留まっている。

別の実施形態では、第一又は第二の部材の第一及び第二の表面のうちの少なくとも一つは、通過させる工程の間、表面上に留まる変換コーティングを有する。

別の実施形態では、アノード及びカソードは、少なくとも部分的に耐熱性金属から構成される。

別の実施形態では、耐熱性金属はタングステンである。

別の実施形態では、アルミニウム合金材料は、第一の電気抵抗を有する第一の外面、第二の電気抵抗を有する第二の外面、及び第三の電気抵抗を有する内部を有し、第一の外面の電気抵抗は第二の外面よりも低い。

別の実施形態では、第一及び第二の外面は酸化物層を含む。

別の実施形態では、第一の外面の酸化物層は、第二の表面の酸化物層よりも薄い。

別の実施形態では、第一の部材の第一の外面の酸化物層は、厚さ３ｎｍ～５０ｎｍの範囲内である。

別の実施形態では、第一の部材の第一の外面は、３０μｉｎ～３００μｉｎの範囲の粗さを有する。

別の実施形態では、第一の部材の第一の外面の酸化物層は、非結晶性Ａｌ_２Ｏ_３から少なくとも部分的に構成されている。

第一の部材の第二の外面は、ミル仕上げ表面である。

別の実施形態では、第一及び第二の外面のうちの少なくとも一つは、その上に潤滑剤を有する。

別の実施形態では、複合材が、アルミニウムから少なくとも部分的に構成された第一の部材と、アルミニウムから少なくとも部分的に構成された第二の部材と、を有し、ここで第一の部材及び第二の部材のそれぞれは、第一の電気抵抗を有する第一の外面と、第二の電気抵抗を有する第二の外面と、第三の電気抵抗を有する内部とを有し、第一の部材の第一の外面の少なくとも一部分の電気抵抗は、第一の部材の第二の外面の電気抵抗よりも低く、第二の外面はより高い抵抗面であり、第一の部材はより高い抵抗面で第二の部材と並置され、第二の部材の第一又は第二の外面のいずれかに当接し、及び第一の部材及び第二の部材の当接面を接合する溶接部を有する。

別の実施形態では、溶接部は、抵抗スポット溶接部である。

別の実施形態では、第一の外面の部分は、グリットブラストされた表面である。

別の実施形態では、当接面はミル仕上げ表面である。

別の実施形態では、第一及び第二の外面は酸化物層を含み、第一の部材の第一の外面の酸化物層は、その第二の表面の酸化物層よりも薄い。

別の実施形態では、第一の部材の第一の外面の部分の酸化物層は、厚さ３ｎｍ～５０ｎｍの範囲内である。

別の実施形態では、第一の部材の第一の外面の部分は、３０μｉｎ～３００μｉｎの範囲の粗さを有する。

別の実施形態では、第一の部材の第一の外面の部分の酸化物層は、非結晶性Ａｌ_２Ｏ_３から少なくとも部分的に構成されている。

別の実施形態では、第一の部材の第二の外面は、ミル仕上げ表面である。

別の実施形態では、第一の部材及び第二の部材の少なくとも一つはシートである。

別の実施形態では、第一の部材及び第二の部材の両方はシートである。

別の実施形態では、複合材は、アルミニウムで少なくとも部分的に構成された第三の部材をさらに含み、第二の部材は第三の部材に当接し、第二の溶接部は第二の部材を第三の部材に接合する。

別の実施形態では、複合材は車両本体の一部を形成する。

本開示をより完全に理解するために、添付の図面と併せて考慮される例示的な実施形態の以下の詳細な説明を参照する。

図１は、アルミニウム合金のシートの概略図である。 図２は、本開示の実施形態による、電気抵抗溶接機の電極間の二つのアルミニウム合金シートのスタックアップの概略図である。 図３Ａ～３Ｄは、本開示の別の実施形態による、グリットブラスト後のアルミニウム合金の表面の四つのトポグラフィ画像のセットである。 図３Ａ～３Ｄは、本開示の別の実施形態による、グリットブラスト後のアルミニウム合金の表面の四つのトポグラフィ画像のセットである。 図３Ａ～３Ｄは、本開示の別の実施形態による、グリットブラスト後のアルミニウム合金の表面の四つのトポグラフィ画像のセットである。 図３Ａ～３Ｄは、本開示の別の実施形態による、グリットブラスト後のアルミニウム合金の表面の四つのトポグラフィ画像のセットである。 図４は、本開示の別の実施形態による、アルミニウムシートの五つの異なる表面のトポグラフィの平均Ｘプロファイルのグラフである。 図５は、本開示の別の実施形態による、グリットブラスト後のアルミニウムシートの表面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 図６は、本開示の実施形態による三つの溶接されたシートアセンブリの写真である。 図７は、本開示の実施形態による、図６の二つの溶接されたアセンブリの拡大写真のセットである。 図８Ａは、本開示による、一連の溶接操作で使用される溶接電極の写真である。 図８Ｂ～８Ｅは、本開示による溶接を従来のアプローチと比較する、一連の溶接試験で使用されるカソード溶接電極の四つの写真のセットである。 図８Ｂ～８Ｅは、本開示による溶接を従来のアプローチと比較する、一連の溶接試験で使用されるカソード溶接電極の四つの写真のセットである。 図８Ｂ～８Ｅは、本開示による溶接を従来のアプローチと比較する、一連の溶接試験で使用されるカソード溶接電極の四つの写真のセットである。 図８Ｂ～８Ｅは、本開示による溶接を従来のアプローチと比較する、一連の溶接試験で使用されるカソード溶接電極の四つの写真のセットである。 図９は、従来のＲＳＷアプローチに従って、３００回の連続溶接を通して達成された溶接ボタンの直径のグラフである。 図１０は、本開示の一実施形態による、３００回の連続溶接を通して達成された溶接ボタンの直径のグラフである。 図１１は、本開示の実施形態によるＲＳＷ、標準ＲＳＷ、及びアルミニウムシートの抵抗ろう付けについての、溶接時間及び溶接電流のグラフであり、結果として得られた溶接部を、不具合又は許容可能として、及び溶接サイズによって分類する。 図１２は、本開示の実施形態によるＲＳＷに対する溶接力対溶接電流のグラフである（タングステン被覆電極、標準ＲＳＷ（クラス１又は２の銅電極で）、及びアルミニウムシートの抵抗ろう付けを使用して、結果として得られた溶接部を、不具合又は許容可能として、及び溶接サイズによって分類する。 図１３は、本開示の別の実施形態によるタングステン面電極（ｔｕｎｇｓｔｅｎ－ｆａｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）の写真である。 図１４は、ミル仕上げシートのＲＳＷ後の図１３のタングステン面電極の写真である。 図１５は、従来のＲＳＷスタックアップの一つの図、及び本開示の実施形態によるスタックアップの三つの図を含む、層になった二つのシートの溶接スタックアップの四つの図のセットである。 図１６は、従来のＲＳＷスタックアップの一つの図、及び本開示の実施形態によるスタックアップの三つの図を含む、層になった二つのシートの溶接スタックアップの四つの図のセットであり、電極は耐熱材料（インサート又はメッキされた）、及び標準銅電極の組み合わせである。 図１７は、本開示の実施形態による、層になった三つのシートの溶接スタックアップの図である。

図は、本明細書の一部を構成し、本開示の例示的な実施形態を含み、様々な対象物及びその特徴を例示する。加えて、図に示される任意の測定値、仕様等は、例示的であり、限定的ではないことを意図する。従って、本明細書に開示される特定の構造的及び機能的詳細は、限定として解釈されるべきではなく、本発明を様々に用いることを当業者に教示するための単に代表的な根拠として解釈されるべきである。

開示された利点及び改良点の中で、本発明の他の目的及び利点は、添付図面と共に以下の説明から明らかになるであろう。本発明の詳細な実施形態は、本明細書に開示されている。しかしながら、開示された実施形態は、様々な形態で具現化され得る本発明を単に例示するものであることを理解されたい。さらに、本発明の様々な実施形態に関連して得られる各実施例は例示的であり、限定的ではないことが意図される。

明細書及び特許請求の範囲全体を通して、以下の用語は、文脈から判断して明らかに他の意味に解釈すべき場合を除いて、本明細書に明示的に関連する意味を取る。本明細書で使用する句「一実施形態では」及び「いくつかの実施形態では」は、必ずしも同じ実施形態を指さないが、それを指す場合もある。さらに、本明細書で使用する句「別の実施形態では」及び「いくつかの別の実施形態では」は、必ずしも異なる実施形態を指さないが、それを指す場合もある。従って、下記に説明するように、本発明の様々な実施形態を、本発明の主題の範囲と趣旨から逸脱することなく、容易に組合せてもよい。

加えて、本明細書で使用される場合、「又は」という用語は包括的な「又は」であり、文脈から判断して明らかに他の意味に解釈すべき場合を除き、「及び／又は」と同等である。「に基づく」という用語は排他的ではなく、文脈から判断して明らかに他の意味に解釈すべき場合を除き、記述されていない追加的な要因に基づくことができる。加えて、本明細書を通して、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」の意味は複数の参照を含む。「中に（ｉｎ）」の意味は、「中に（ｉｎ）」及び「上に（ｏｎ）」を含む。

本開示の態様は、ＲＳＷによるアルミニウム及びその合金の接合プロセスを、ＲＳＷを介した鋼の接合とは異なるものにする、いくつかの要因を認識することである。（本開示では、“アルミニウム”は純アルミニウム及びその合金を含むものとする。）相違点には、ｉ）アルミニウム材料、例えばアルミニウムシートを、ＲＳＷを介して接合することは、より高い溶接電流、例えば類似のゲージの鋼に必要とされる溶接電流の２～３倍を必要とする、及びｉｉ）アルミニウムは、凝固中により高い収縮、及び溶接中により高い熱膨張係数を示す、が含まれる。上記の要因は、溶接欠陥を避けるために溶接パラメータを狭い範囲内に維持すること、又は代替的には、より高い力及び電流がより広いプロセスウィンドウに使用されること、を必要とする。これらの影響を軽減するために、電極の頻繁な補修が必要であり、電極の固着を軽減するために大面電極が好ましい。より高い電流では、トランスのサイズとユーティリティ配管の引き込みを低減するために、業界はより高い周波数（８００Ｈｚ超対５０～６０Ｈｚ）で動作する直流（ＤＣ）電源で溶接する必要がある。これらの対策があっても、アノード（ＤＣ溶接プロセスにおける正極）はアルミニウムを収集し始める。すなわち、シートからのアルミニウムは電極に接着し、一部の合金族に対しては電極及びシートを、１０回ほどの溶接のうちに浸食させるが、典型的には２５～５０回の溶接後である。アノードの浸食は、カソードの浸食をもたらし、均一な圧力及び電流分布を確保するために電極の表面を新しくする必要が生じる。ペルチェ効果によりアノードの浸食がさらに加速され、銅とアルミニウムの間のゼーベック係数の差に比例したさらなる発熱が生じる。電流がアノードとアルミニウムシートの間を流れるにつれて、この追加熱はアノードシート界面において局所的に発生され、界面近傍のアルミニウムシートの局所的溶解を起こす。比較すると、同じ電極を鋼板の溶接に使用すると、より長持ちさせることができる。業界では、通常の電極ドレッシング及び／又は電流ステッピングを採用することにより、電極の摩耗に対処している。鋼板のＲＳＷにおいて、電極のドレッシング又は表面を新しくすることは、典型的には、およそ２００～３００回の溶接の後に行われる。類似ゲージのアルミニウムシートに必要な電極ドレッシングの間の溶接数は、典型的には、鋼の溶接数の１／４～１／５である。多数の溶接が完了した後に電流を段階的にブーストして電極の摩耗を補償する電流ステッピングは、鋼と比較して一般的に電流がはるかに高く、電流を増加させることが難しいため、アルミニウムには効果的ではない。

アルミニウムのＲＳＷでは、大きな電流が溶接されるシートを通過し、ジュール加熱を生成する。本開示の態様は、接合界面（例えば、アルミニウムのシートなどの溶接される材料間の接触領域）での加熱は、スタックアップの他の領域よりも大きくあるべきで、その結果、接合界面の金属が他の領域の前に溶解し、隣接するシートの領域と合体し、電極のいずれかと接触する表面が溶解する前に、溶接部として再凝固する、という認識である。これは、溶接されるアルミニウム材料の異なる表面（複数可）の酸化物層の厚さを選択的に制御することによって達成されて、それによってスタックアップの異なる領域で電気抵抗及びジュール加熱を制御し得る。これは、ミル仕上げによる、すなわち、圧延ミルにおける圧延プロセスによって決定される厚さの酸化物層を有するシートを溶接すること、あるいはアルミニウムシート全体に、無差別に化学的に清浄を施すか、又は変換コーティングを適用して、ミル仕上げと比較して酸化物を均一に減少させることとは異なる。化学清浄は、一部のミル仕上げ流路で溶接の一貫性を改善する可能性があるが、１０～２５％の溶接電流の増加を必要とし、鋼板ＲＳＷと比較して、溶接機器要件の差異をさらに拡大させる。

本開示の態様は、電極によって接触される溶接されるアルミニウム材料の表面上の、高電気抵抗の酸化物層の存在が、電極の固着及び劣化につながる電極／シート界面における局所的高温を引き起こす可能性があるという認識である。さらに、溶接電流が局所的な凹凸に変形した場所へ優先的に流れ、酸化物層を破壊する、という認識である。シート表面トポグラフィとの電極接触の組み合わせが酸化物を均一に破断しないような、より重篤な事例では、電極材料とアルミニウムとの間のこの局所的反応は、電極の成長又は摩耗を引き起こし、その使用可能寿命を限定する可能性がある。本開示の実施形態によれば、この状態は、電極（複数可）及びシート（複数可）の界面に溶接されるシート（複数可）の表面の処理によって緩和され、シート（複数可）表面を通る電気抵抗を制御し、電極界面（複数可）での発熱を低減することができる。電極（複数可）と接触するシート（複数可）の表面（複数可）の処理は、プラズマ、レーザー、もしくはウォータージェットへの曝露によって科学的に、又はブラスティング用メディア（アルミナ、鉄、ガラスビーズ、ドライアイスなど）への曝露によって機械的（ワイヤブラシ、スコッチブライト研磨など）に、行われてもよい。

本開示の別の実施形態によると、アルミニウムシートのＲＳＷを促進する堅牢で単純な表面処理は、溶接電極の一方又は両方によって接触されるシートの表面をグリットブラストして、一方でスタックアップのシートの接合面は未処理（ミル仕上げ）状態で残すことによる。グリットブラストは、電極（複数可）によって接触される接合面側とは対向する側全体に、又はシートがＲＳＷによって溶接されるときに電極（複数可）によって接触されるシート表面の領域に局所的に適用され得る。

別の実施形態によると、アルミニウムの、アルミニウムへのＲＳＷは、物理的要素を含有するか、あるいは耐熱性又はニッケル系材料でメッキされた特殊電極を使用して実施することができる。このタイプの電極を使用する場合、溶接は、ミル仕上げアルミニウムシート、化学的に清浄されたシート、変換コーティングでコーティングされたシート、又は、例えばグリットブラストなど、シートの一方又は両方の表面上のブラスティングによってその酸化物層が低減されたシートに実施され得る。一実施形態では、特殊電極は、スタックアップのシートの少なくとも一つの電極接触面上の酸化物層の差別的な減少（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）と組み合わせて使用され、そのシートの接合面は、例えばミル仕上げによって提供されるような、より厚い酸化物層で残す。

本開示の別の実施形態によると、一つの電極接触面のみが、酸化物層を低減することによって処理され、例えば、スタックアップのアノード接触面がグリットブラストされ、スタックアップ中の他のすべてのシートの酸化物層は、カソードと接触している表面であっても、手つかずか又はより大きな厚さのままである。別の実施形態では、アノード及びカソード電極と接触するスタックアップのすべての表面は、例えば、グリットブラストで処理されて、その厚さを減少させる。

本開示の一実施形態では、二つのシートがスタックアップに存在することにより、その結果生じる溶接（複数可）は、二層又は２Ｔ接合と称され得る。別の実施形態では、三つ以上のシートがスタックアップに存在して、例えば、三層（３Ｔ）接合以上の、より多数の層の溶接部を生じ得る。一実施形態では、外側電極接触面は、酸化の厚さを減少させるように処理され、その結果、それらが接合面よりも低い接触抵抗を有し、アルミニウムシートの溶接接合、例えば、２Ｔ又は３Ｔ以上の接合を促進する。一実施形態では、スタックアップ中の一つシートのアノード電極が接触する側のみが、酸化物層の厚さを減少させるように処理される。

一実施形態では、本開示によるスタックアップ、例えば、厚さを減少された酸化物層を有する、及びより厚い酸化物層を有する接合面を有する一方又は両方の電極接触面を有するスタックアップは、形成／成形作業中に使用される従来の潤滑剤に融和性がある。典型的には、シートアルミニウムなどのシート材料には、成形型によってシートを様々な形状に形成することを容易にする表面潤滑剤が提供される。例えば、本体パネルなどの自動車部品は、工具（型）摩耗を最小化しながら部品形状を確実に得ることができるように特別に配合された潤滑剤で形成される。次に、清浄、及び潤滑剤が溶接部の一貫性及び品質に影響を与えることなく、複数の形成された部品を溶接し得る。本開示の態様は、接合面での潤滑剤は、電極に曝露されるものに対するほどには、溶接品質に影響を与えないという認識である。スタックアップの電極接触面において、表面潤滑剤は、典型的には、電極の浸食及び摩耗を加速し、溶接部のむら、多孔性、亀裂、電極の固着、爆飛、及び小さな溶接サイズを生じる。例えば本開示によるグリットブラストによって、酸化物層の厚さが低減された電極接触面は、電極界面において生成される熱の量を減少させ、潤滑剤の有害な影響を埋め合わせる。

図１は、中央合金部分１２、及び上側面１８及び下側面２０上にそれぞれ、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３ ）の層１４、１６を有するアルミニウム合金シート１０を示す。Ａｌ酸化物表面は、酸化アルミニウム、亜酸化物、水酸化物、及びＭｇ酸化物の混合物とすることができる。自動車製造では、様々な形成潤滑剤及びブランク洗浄コーティングも、溶接プロセス中に層１４、１６上に存在することが一般的である。アルミニウム合金は、シート及び押出成形物の両方を含む、１ＸＸＸ、２ＸＸＸ、３ＸＸＸ、４ＸＸＸ、５ＸＸＸ、６ＸＸＸ、又は７ＸＸＸシリーズにおける鍛錬アルミニウム合金のいずれか一つであってもよい。さらに、アルミニウム合金は、限定されるものではないが、サンドカスト及びダイカストを含む鋳造合金であってもよい。

図２は、本開示の実施形態による、電気抵抗溶接機１４０のアノード１３０電極とカソード１３２電極との間の二つのアルミニウム合金シート１１０Ａ、１１０Ｂのスタックアップ１０５の概略図である。それぞれシート１１０Ａ、１１０Ｂの酸化物層１１４Ａ、１１４Ｂは、厚さが低減されているが、酸化物層１１６Ａ、１１６Ｂは、製造者によって、例えば圧延ミル（図示せず）から製造されるのと同じ厚さのままである。層１１４Ａ、１１２Ａ、１１６Ａ、１１６Ｂ、１１２Ｂ、及び１１４Ｂの各々は、アノード１３０からカソード１３０、１３２へ流れる電流Ｉに対して関連付けられる、スタックアップ１０５を通る合計抵抗ＲＴとなる、抵抗１１４ＡＲ、１１２ＡＲ、１１６ＡＲ、１１６ＢＲ、１１２ＢＲ、及び１１４ＢＲを有する。抵抗１１４ＡＲ、１１２ＡＲ、１１６ＡＲ、１１６ＢＲ、１１２ＢＲ、及び１１４ＢＲは、図示を容易にするために、それぞれ対応する酸化物層１１４Ａ、１１４Ｂに隣接して示される抵抗１１４ＡＲ及び１１４ＢＲとともに、図式的に示され、原寸に比例しない。潤滑剤及びその他の材料が表面上に存在する（図示せず）ことも、総抵抗ＲＴに寄与する。

圧延機から得られた５ｘｘｘ及び６ｘｘｘタイプのアルミニウム合金シート上の酸化物層１４及び１６（図１）の厚さは、５ｎｍ～数百ｎｍの範囲内である。溶接を表す力で１．５ｍｍの５ｘｘｘ－Ｏシート上の２Ｔスタックアップに対する電極間で測定された抵抗は、前述の材料の酸化物の厚さに応じて、１５００マイクロオームを超える統計的最大値（平均＋３＊標準偏差）を有してもよい。酸化物層１４が本開示に従って厚さが減少された後、例えば、図２の層１１４Ａ、１１４Ｂによって示されるように、結果として生じる厚さは、５ｎｍ～５０ｎｍの範囲内である。層１１４Ａ、１１２Ａ、１１６Ａ、１１６Ｂ、１１２Ｂ及び１１４Ｂのそれぞれを通る電気抵抗は、電気経路の組成（固有抵抗率を有する）及び寸法、すなわち、断面積及び厚さに依存する。酸化アルミニウムの抵抗率は非常に高いため、酸化物層１１４Ａ及び１１４Ｂの厚さの実質的な減少は、電極接合部での溶接電流への抵抗加熱を実質的に減少させる。表面１１４Ａ及び１１４Ｂの機械的摩耗を伴う１．５ｍｍ ５ｘｘｘ－Ｏの２Ｔシートスタックアップの統計的最大抵抗はおよそ５００マイクロオームであった。比較すると、材料の脱酸化（すべてのシート表面が酸化物を低減される）は、溶接界面における抵抗がより低いという理由で溶接電流がより高いことを必要とする５００マイクロオーム未満まで統計的最大値を低減することができる。

酸化物層１１６Ａ、１１６Ｂは、酸化物層１１４Ａ、１１４Ｂよりも大きな厚さを有するため、酸化物層１１６Ａ、１１６Ｂと関連付けられた電気抵抗は大きく、酸化物層１１６Ａ、１１６Ｂを通過する電流Ｉによって生成される熱の量は、電流Ｉが酸化物層１１４Ａ、１１４Ｂを通過するときに生成されるものと比較して相応に大きい。抵抗及び加熱における前述の差異により、酸化物層１１４Ａ、１１４Ｂ及びアノード１３０及びカソード１３２に近接する中央合金部分１１２Ａ、１１２Ｂが溶解する前に、所与の電流Ｉは、酸化物層１１６Ａ、１１６Ｂ間の接合界面ＦＩに近接する中央合金部分１１２Ａ、１１２Ｂの溶解及び溶接を開始することができる。

例えば１１４Ａのような、小規模の厚さの酸化物層では、その厚さの変動が、例えば溶接電極によって接触される表面積などの、所定の表面積にわたって起こることが予想され得る。マイクロレベルでは、酸化アルミニウムの中央合金部分１２及び層１４、１６は、幾何学的に平坦ではなく、寸法的に変化する。例えば、中央合金部分１２の上側面１８（図１）は、中央合金部分１２の平均高さ又は平均厚さの上下に広がる高点（凹凸）及び低点（ピット）を有すると予想され得る。結果として、電極、例えば１３０が、酸化物表面１１４（図２）に押し付けられると、中央合金部分１１２Ａの高さの変動は、アノード電極１３０との接触領域にわたる電気伝導性の変動を引き起こし、その結果、高伝導性及び低伝導性の局所的な領域が経験されるであろうと予想することができる。上述のように、他の酸化物、要素、及び化合物は、酸化物層、例えば１１４Ａ及び／又は界面１３０Ｉに存在し得る。したがって、酸化物の厚さが低減された表面、例えば１１４Ａ、１１４Ｂは、より高い抵抗（「高抵抗（Ｈｉ Ｒｅｓ）」）を保持する１１６Ａ、１１６Ｂなどの未処理表面よりも、例えばグリットブラストなどの処理後のより低い抵抗（「低抵抗（Ｌｏｗ Ｒｅｓ）」）を有するとしてより一般的に記述され得る。酸化物層、例えば、１１４Ａ、１１４Ｂ、又は１１６Ａ、１１６Ｂの全体的な接触抵抗は、シートトポグラフィ、酸化物化学、及び酸化物の厚さの関数である。したがって、低抵抗（Ｌｏｗ Ｒｅｓ）界面は、多くの異なる方法で達成され得る。例えば、粗いトポグラフィ上のより厚い酸化物層は、より滑らかなトポグラフィ上のより薄い酸化物層と同じ接触抵抗を生じうる。本開示の一実施形態によれば、接合面（複数可）における抵抗がより高い一方で、電極とシート間の界面において均一で、一貫した、より低い抵抗を提供するトポグラフィ、酸化物の厚さ、及び化学作用の組み合わせを含むシステムは、接合界面における加熱及び溶接を促進し、電極接触界面、例えば、１３０Ｉにおける溶解、固着及び電極劣化を減少させる。

図３は、アルミナグリットでブラストされた６０２２－Ｔ４アルミニウム合金シートの表面の四つのトポグラフィ画像２１８Ａ、２１８Ｂ、２１８Ｃ、２１８Ｄを示す。２１８Ａに示される表面を生成するために、表面から５～６インチの距離で表面に垂直に、４０ｐｓｉの空気圧で動作し、約１と１／４平方インチのカバレッジを有するＴｒｉｎｃｏモデル３６／ＢＰメディアブラスターにより、サイズ５４のグリットが表面上にブラストされた。七つのパスを３分間の合計ドエル時間にわたって実行し、粗さＳａ２１０μｉｎの表面を生成した。２１８Ｂに示される表面を生成するために、サイズ５４のグリットを６０ｐｓｉの空気圧で、ただし他のパラメータは前と同じで、表面上にブラストして、Ｓａ２４０μｉｎの粗さの表面を生成した。２１８Ｃに示される表面を生成するために、サイズ１２０のグリットを４０ｐｓｉの空気圧で、他のパラメータは前と同じで、表面上にブラストして、Ｓａ９０μｉｎの粗さの表面を生成した。２１８Ｄに示される表面を生成するために、サイズ１２０のグリットを６０ｐｓｉの空気圧で、他のパラメータは前と同じで、表面上にブラストして、Ｓａ１１３μｉｎの粗さの表面を生成した。

図４は、６０２２－Ｔ４アルミニウムシートの五つの異なる表面のトポグラフィについての、平均Ｘプロファイル線グラフ３１８Ｅ、３１８Ｆ、３１８Ｇ、３１８Ｈ及び３１８Ｉを示す。Ｘプロファイルは、非接触光学表面プロフィルメーター装置（例えば、ＺｅＳｃｏｐｅ）を使用して取得された３次元トポグラフィ画像から取得された。プロファイル線３１８Ｉは、６０ｐｓｉで１２０グレードのアルミナグリットによりブラストされた表面から生成され、凹凸Ａと低点Ｌとの間の１５μｍの高さの差を実証した。一実施形態では、グリットブラストされたシートの表面粗さは、約３０μｉｎ～３００μｉｎである。

図５は、６０ｐｓｉで１２０グリットのアルミナを用いてグリットブラストした後の６０２２－Ｔ４アルミニウムシートの表面４１８ＩのＳＥＭ画像を示す。これは、図４の線３１８Ｉ及び図３の２１８Ｄによって示される表面と同じ表面である。鋭い凹凸Ａは、電極１３０によって接触された時に図２の１１４Ａのような酸化物層を破砕し、したがって、均一な電流分布のための多数の電気経路を生成する。表面は、図３及び４に示すように、多数の鋭い凹凸Ａによって特徴付けられる。本開示によれば、グリットブラストは、表面から初期の厚い酸化物層、例えば、１６（図１）を除去する。グリットブラストによって除去される、例えば１４などの厚い酸化物層（６～１０ｎｍの典型的な厚さ）は、空気への曝露のために、室温で中央合金部分１１２Ａ上に形成される新しい、より薄い（公称３～４ｎｍ）酸化物層、例えば１１４Ａに直ちに置換される。新しい酸化物層１１４Ａは、非結晶性Ａｌ_２Ｏ_３からなり、初期酸化物層１４よりもはるかに薄いため、初期ミル仕上げ酸化物層１４、１６と比較してより低い電気抵抗を有する。初期の酸化物層１４、１６は、例えば熱間圧延、冷間圧延、熱処理などによる調製中にシート１０が受けた様々な処理工程の間に形成され、それらの実質的な厚さを生じさせる。本開示によるグリットブラストのその他の結果は、Ａｌ１２（Ｆｅ、Ｍｎ）２Ｓｉ、Ａｌ３（Ｆｅ、Ｍｎ）、Ｍｇ２Ｓｉ、Ａｌ３Ｍｇ２、及びバリアントなどの、第二相の粒子の一部が、ブラストプロセス中に除去され、表面の化学的不均一性が低減されるということである。さらに、グリットブラストは、グリットブラストされた表面（複数可）に圧縮残留応力を誘導し、基材金属のプラスチック収率がより低く印加される溶接力で開始されて、全力でより高いレベルの完了に近づくにつれて、電極／シート接触を改善する。

実験結果

６０２２－Ｔ４アルミニウムシートの１２５×４５０ｍｍ×０．９ｍｍ厚のパネルについて、溶接性試験を実施した。基準状態はミル仕上げであり、追加の表面処理も変換コーティングも適用されなかった。改善された状態は、上述のように、６０ｐｓｉで１２０アルミナグリットで片側にグリットブラストされた。ＭＰ４０４潤滑剤を、１００ｍｇ／平方メートルの被覆率ですべての表面に適用し、例えば自動車本体及びパネルの製造においてなどの、典型的な業界状態を表した。パネル同士を溶接し、溶接パラメータを変更することなく合計３００回の溶接を連続的に実行して、各状態を試験した。次いで、パネルを、接合界面ＦＩに共に位置する、例えば図２の層１１６Ａ、１１６Ｂのような、手つかずの酸化物層を有するミル仕上げ表面と、溶接機械１４０のアノード１３０及びカソード１３２にそれぞれ隣接して位置する、グリットブラストに起因する薄い酸化物層１１４Ａ、１１４Ｂとを伴う、図２のスタック１０５のような、スタックに組み立てた。溶接機１４０は、およそ５００ｍｍの喉厚のピンチ式サーボガン上の、一般的にＭＦＤＣと呼ばれる中周波ＤＣを用いるタイプであった。溶接パラメータは以下の通りであった：４００ｄａＮの溶接力、５ｋＡの予熱ステップを３３ミリ秒、その直後に６７ミリ秒の２６ｋＡの溶接パルス。すべての溶接は、直径１６ｍｍ、面半径５０ｍｍのＲＷＭＡクラス２銅オス型電極を通して行われた。各１２５×４５０ｍｍのパネル上で、１００回の連続溶接を、毎分およそ１０回溶接する速度で行った。各パネル上の溶接は、それぞれ２０の溶接部がある５つの行に沿って行われた。溶接を行った後、パネルをロール剥離し、検査し、１００個のすべての溶接部を破壊試験し、ボタンの引き出し直径（ｂｕｔｔｏｎ ｐｕｌｌｏｕｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ）を測定した。ＧＭＴが支配金属ゲージを示す３．５√ＧＭＴ未満の溶接ボタンの引き出しは、不具合又は過小サイズであるとみなされた。剥がされた時にボタンを引き出さない、すなわち界面破壊のない、溶接は、融合界面破壊（ｆｕｓｅｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｆｒａｃｔｕｒｅ）が上記３．５√ＧＭＴ超であったとしても、不具合な溶接とみなされた。

図６は、グリットブラストされた状態について前段落に記載される材料及び手順を使用して作製された、三つの溶接されたアセンブリ５０５ＷＡ、５０５ＷＢ、５０５ＷＣを示す。上部シート５１０Ａは、溶接部５５０によって底部シート５１０Ｂ（下縁に沿ってのみ見える）に接合された。合計３００個の連続した溶接部５５０を、上記のパラメータを使用して作製した（アセンブリ５０５ＷＡ、５０５ＷＢ、５０５ＷＣ当たり１００個の溶接部５５０）。すべての溶接部は良好な品質であり、電極１３０、１３２（図２）のシート５１０Ａ、５１０Ｂへの固着、又は電極上のアルミニウムの蓄積は観察されなかった。

図７は、図６のそれぞれアセンブリ５０５ＷＡ及び５０５ＷＣの二つの部分の拡大断片７Ｓ１、７Ｓ２である。溶接は、溶接部５５０Ｓで開始され、アセンブリ５０５ＷＡで１００個の溶接がなされるまで、連続する行及び列で上方向に進んだ。アセンブリ５０５ＷＢ及び５０５ＷＣに対して同じ溶接アプローチが行われ、アセンブリ５０５ＷＣ上の最後の溶接部５５０Ｌで終わった。目視検査から理解され得るように、第一の溶接部５５０Ｓ及び最後の溶接部５５０Ｌは、同じ寸法及び外観を有する。最初及び最後の溶接部５５０Ｓ及び５５０Ｌはまた、溶接強度及び完全性に関して同じ品質を有することも証明された。これは、電極とシート界面との間の低い抵抗から電極の浸食がないことが、多数の溶接操作にわたって優れた溶接品質及び一貫性を可能にしたことを示す。

図８Ａは、アセンブリ５０５Ａ、５０５Ｂ、及び５０５Ｃを形成するために使用された、すなわち、３００個の溶接部５５０の完了後に、検査トレー６３４に取り付けられたアノード６３０及びカソード６３２電極を示す。電極６３０、６３２を調べて、摩耗又は蓄積を示さなかったことが見出され、本開示によるアルミニウムシートのＲＳＷ溶接が、電極のドレッシングが必要とされる前に、より多くの溶接部を形成し続けることができたことを示す。二つの溶接されたシート１０の両側の厚い酸化物層１４、１６を有するミル仕上げ表面の同等な溶接は、約５０回の溶接後に電極劣化と、３００回の溶接後に過度の浸食を示す。さらに、ミル仕上げ状態のシートの３００回の溶接を通して電極の固着が観察された。

図８Ｂは、カソード溶接電極７３２ＡＩ、７３２ＡＦ、７３２ＢＩ、７３２ＢＦ、７３２ＣＩ、７３２ＣＦ、７３２ＤＩ、７３２ＤＦそれぞれの、四つの比較写真セット７３２Ａ、７３２Ｂ、７３２Ｃ、７３２Ｄを示す。カソードは、一連の溶接試験で使用される前の初期状態７３２ＡＩ、７３２ＢＩ、７３２ＣＩ、７３２ＤＩ、及び３００回の溶接を行った後の最終状態７３２ＡＦ、７３２ＢＦ、７３２ＣＦ、７３２ＤＦで示されている。写真７３２Ａに示すように、従来のアプローチを使用してミル仕上げ５１８２アルミニウム合金上に３００回の抵抗スポット溶接を行った後、カソード電極７３２ＡＦの状態は著しく劣化する。対照的に、写真７３２Ｂは、アノード１３０（図１）と接触する酸化層、例えば１１４Ａのグリットブラストを使用する本開示によるＲＳＷ溶接により、５１８２アルミニウムに３００回の抵抗スポット溶接を行った後に、カソード７３２ＢＦが深刻に劣化しないことを示す。同じ結果は、写真７３２Ｃ及び７３２Ｄにおいて明らかであり、本開示の教示に従ってグリットブラストされたシートを使用したカソード７３２ＤＦの、同じタイプの材料において同じ数の溶接をした後と比較して、カソード７３２ＣＦの状態は、６０２２ミル仕上げアルミニウム合金における３００回の抵抗スポット溶接後に深刻に劣化する。

図９は、すべての表面がミル仕上げ状態である厚さ０．９ｍｍの６０２２－Ｔ４アルミニウム合金の二枚のシートの、３００回のＲＳＷ溶接の過程での溶接ボタンサイズ（直径）のグラフ８６０を示す。およそ２００回の溶接後、ボタンの直径は臨界値を下回った、よって不安定であるとみなされる。以下の表１は、図９に示す溶接試験から得られた実際の溶接データを示す。データは、全表面ミル仕上げの０．９ｍｍ ６０２２－Ｔ４で、３００回の連続溶接に対して溶接ボタンの直径が測定された溶接ボタンの直径を示すように正規化された。表１では、透明セルは、３つの溶接パネル上の不具合な溶接（ボタンの直径が３．５√ＧＭＴ未満）の位置を示す）。図９は、ミル仕上げアルミニウムが、約２００回の溶接後に不具合を示したことを示す。安全マージンと製造ばらつきを考慮する場合、約５０回の溶接というドレッシング間隔が必要となる。

図１０は、電極側面がグリットブラストされ、ミル仕上げ状態の接合側面を有する、二つの０．９ｍｍ厚の６０２２－Ｔ４アルミニウム合金のＲＳＷ溶接についての、溶接ボタンサイズのグラフ９６０を示す。図１０に図示した結果は、３００回の溶接を通して安定した性能で溶接が進められたことを示し、不具合が観察される前に、より高いレベルの良好な性能を達成することが期待される。鋼ＲＳＷについての典型的な業界慣行は、２５０回程度の溶接で電極ドレッシングを伴い、図１０に示す結果は、鋼ＲＳＷドレッシングサイクルと比較して遜色ない。以下の表２は、図１０に示す溶接試験から得られた実際の溶接データを示す。

表２のデータは、本開示によるグリットブラストされたシートプロセスを使用して達成された溶接の一貫性の点から溶接ボタンの直径を示すように正規化された、そしてその溶接の一貫性を示す。具体的には、表２は、０．９ｍｍ ６０２２－Ｔ４（電極側はグリットブラストテクスチャ加工、接合側はミル仕上げ）の３００回の連続溶接について測定された溶接ボタンの直径を示す。表２では、透明セルは、三つの溶接パネル上の不具合な溶接（ボタンの直径が３．５√ＧＭＴ未満）の位置を示す。ミル仕上げ状態でのアルミニウムシートの溶接に関する図９及び表１に示す結果とは異なり、溶接ボタンのない冷間溶接はなかった。図９及び１０に図示した二つの溶接状態間の唯一の違いは、図１０で溶接されたシートの電極側面はグリットブラストされ、図９及び１０の両方の接合面はミル仕上げであることであった。本開示によれば、電極の摩耗、特にアノードの摩耗及び浸食を制御することは、アルミニウムの抵抗溶接プロセスの長期的な一貫性を著しく改善する。

本開示の別の実施形態では、アノード１３０と接触するシート１０上の厚い酸化物層１４のみが、すなわち界面１３０Ｉで、グリットブラストで除去され、カソード１３２と接触するシート１０上に存在する厚い酸化物層１４は、すなわち界面１３２Ｉで、そのままである。本開示の態様は、劣化が、スタックアップ１０５とアノード１３０との間の界面１３０Ｉで、より早期に発生し、より速く増大するという認識である。結果として、アノード１３０と接触する側、すなわち界面１３０Ｉ、でのみ、酸化物の厚さを低減されたスタックアップ１０５は、改善された、すなわちより低い、ドレッシング頻度を示す。

電極界面（複数可）１３０Ｉで抵抗が低減された電極接触シート表面（複数可）の使用は、生産的に使用されうる電極タイプ及び／又は材料の範囲にも影響を与える。銅系電極は、８０％のＩＡＣＳに近づく、高強度及び伝導性を示す。典型的な銅電極としては、ＲＷＭＡクラス１（ＣｕＺｒ、又は銅協会名称（ｃｏｐｐｅｒ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ）Ｃ１５０００）、クラス２（ＣｕＣｒ又はＣ１８２００及びＣｕＣｒＺｒ Ｃ１８１５０）、及び分散強化銅（ＤＳＣ又はＣ１５７６０）が挙げられる。クラス１電極は、接触界面において生成される熱を低く保ち、損傷及び固着を防止する並外れた電気及び熱伝導性を有するように意図的に選択される。アルミニウムミル仕上げ表面は、典型的には、非常に高い伝導性の銅（すなわちクラス１）の固着を最小に保ち続ける必要があり、一方、鋼のＲＳＷはクラス２電極を使用できる。クラス１電極はクラス２電極ほどの二次熱を提供しないため、アルミニウムのＲＳＷは、鋼板のＲＳＷと比較して、より高い電流からの追加のジュール加熱を必要とする。

本開示の別の実施形態によると、タングステン（１００Ｗ又はＣ７４３００）、一般的にエルコナイト（１Ｗ３／５Ｗ３又はＣ７４４５０、１０Ｗ３又はＣ７４４００、３０Ｗ３又はＣ７４３５０）やモリブデン（Ｃ４２３００）と呼称される、タングステン－銅ブレンドなどの材料を含むがこれに限定されない、耐熱性金属電極は、従来のクラス１及び２の銅グレードより有意に低い電流でアルミニウムに溶接部を生成することができる。耐熱性金属電極は、６０％未満の、及び多くの場合３０～５０％の範囲であるＩＡＣＳの伝導性を有する。

図１１及び１２は、グラフ１０６０（溶接電流及び溶接時間の影響を考慮する）、及び１１６０（溶接電流及び溶接力の影響を考慮する）を示し、それぞれ、クラス２（標準ＲＳＷと記載）及び純粋なタングステン（１００Ｗと記載）の両方の電極を用いて、１．１ｍｍ ６０２２－Ｔ４シート上に作製された溶接部を特徴付ける。グラフ１０６０及び１１６０は、ミル仕上げシートを使用した溶接結果を示しており、青色の点は３ｓｑｒｔ（ｔ）未満、オレンジ色は３ ～４ｓｑｒｔ（ｔ）、黄色は４～５ｓｑｒｔ（ｔ）、緑色は５～６ｓｑｒｔ（ｔ）を示す。 両方の図に示すように、同様の溶接時間と力を用いる一方で、溶接部はタングステン電極を用いて、従来のクラス２電極よりも２０～３０％低い電流で作製することができる。このプロセスは、抵抗溶接プロセスよりもはるかに低い力で動作するが、高い溶接時間を伴う抵抗ろう付けとは異なる。各個々の溶接パラメータセットについて、いくつかの溶接部を作製し、剥離試験を行い、その結果得られた溶接部を測定した。１２～２２ｋＡの範囲の電流は、許容可能な溶接ボタンサイズを生成した。これは、従来のクラス２溶接電極の２４～３２ｋＡと比較して、電流の大幅な減少である。鋼を溶接するためにサイズ決めされた機器は通常、２０ｋＡ程度の溶接電流制限を有する。したがって、耐熱性金属電極は、エンドユーザーに、鋼を現在溶接している既存の機器を変更することなく、ＲＳＷを介してアルミニウムシートを接合する能力を提供する。タングステンに加えて、モリブデン又はニッケル成分を有する電極は、対で、又はこの群の一つの材料から作製された一つの電極と異なる材料から作製された別の電極とで、のいずれかで、同様に利用され得る。これにより、溶接機器（トランス、ガン、制御装置）、ロボット工学（より軽量のペイロード能力、より速いロボット速度）、変電所容量（アップサイズ不要）、及び柔軟性（既存のシステムで複数の材料を処理する）から、資本コストの節約がもたらされる。

耐熱性金属系電極は、必要な溶接電流を低下させるという点で利点を提供するが、従来の銅電極材料の安定した長期性能は示さない。図１１及び１２の溶接結果を生成する際に、タングステン電極を、各溶接パラメータ設定（およそ溶接部３～５つおき）の後に２００グリットのエメリー研磨紙で清浄した。１０個超の溶接部を連続的に作製すると、アノード上にアルミニウムの著しい蓄積が観察された。

図１３は、溶接プロセスパラメータ試験及び電極寿命試験の両方に使用されるタングステン電極１２３０（アノード）及び１２３２（カソード）を示す。６ｍｍのタングステンディスク１２３０Ｔ、１２３２Ｔは、標準ＣｕＣｒ電極１２３０Ｓ、１２３２Ｓにろう付けされて、それぞれ複合アノード１２３０及びカソード１２３２を形成し、以下、より単純に“タングステン電極”と称される。タングステン電極１２３０、１２３２は、上述の同じ溶接機器、すなわち、５００ｍｍピンチガン、１６ｍｍ電極直径、５０ｍｍ面半径などにおいて使用されたが、従来のクラス２銅電極よりも低い電流を使用した、例えばタングステン電極では６７ミリ秒で２０ｋＡ、対する銅電極では６７ミリ秒で２８ｋＡ。この機構を使用して、各々１．１ｍｍの厚さの、ミル仕上げ６０２２－Ｔ４アルミニウム合金シート二つを溶接した。およそ１０回以内の溶接で、著しいアノードの固着が観察され、大量の材料が電極から引き出された。

図１４は、前段落に記載される条件下で１００回の連続溶接の後の、タングステン電極、すなわち、図１３に示すようなアノード１３３０及びカソード１３３２を示す。カソード１３３２の蓄積はほとんどなかったが、アノード１３３０はかなりの量のアルミニウムを収集し、タングステン部分に局所的なひび割れを引き起こした（図１３の１２３０Ｔを参照されたい）。これらの結果は、耐熱性電極によって示される比較的高い抵抗に関連する高熱及びシート材料の収集が理由で、ミル仕上げアルミニウムシートが耐熱性電極でのＲＳＷ溶接を許容しないことを示す。

本開示の態様は、溶接に起因するアノード及びカソードの劣化／摩耗が関連しているという認識である。この関係は、クラス２の銅電極及びタングステン電極を使用して、上記の段落で上述した同じ１．１ｍｍの６０２２－Ｔ４シート上に作製した一連の１００回の溶接で示された。これらの試験では、銅アノード及びタングステンアノードは両方とも、毎溶接後に２００グリットのエメリー研磨紙でドレッシングされたが、カソードは１００回の連続溶接の間、清浄されなかった。タングステン電極及び銅電極の両方について、カソード上に摩耗は観察されず、このことは、アノードが顕著な摩耗及び浸食を示さない場合、カソードもまた摩耗を示さないことを示した。本開示の一実施形態では、タングステンアノード上の蓄積は、本開示の教示に従って、例えばグリットブラストによって確立されるスタックアップとの低抵抗界面によって、低減され得る。グリットブラストされたアノード接触面は、この低抵抗界面を提供し、タングステン電極の使用を可能にし、それによって、関連するより低い溶接電流を使用することの利点を実現することができる。

別の実験では、上述の溶接試験で使用されるような二つの６０２２－Ｔ４シートのそれぞれの両面を、グリットブラストした。ＭＰ４０４潤滑剤をシートのすべての側面に塗布した。ＲＳＷによる溶接は、同じ溶接設定を使用して上述のように行われた。この実験は、溶接が行われていなかったことを示した。この結果は、接合界面における処理済み表面の低電気抵抗に起因し、接合する表面を溶解して、それらを接合するのに十分な熱を生じることができなかったのである。

前述の同じクラス２の電極材料、形状、溶接機器、及び溶接パラメータを使用して、０．９ｍｍ ６０２２－Ｔ４上の様々な他のアルミニウム合金シート表面に対して、３００回ＲＳＷ溶接の追加のセットを実施した。これらの材料は、従来の、及びＥＤＴ仕上げの表面に対して、ミル状態で、及びＡｒｃｏｎｉｃ ９５１（商標）前処理を用いて、の両方で行われた。これらの材料は、現在自動車産業で供給されている市販のアルミニウム合金シート材料を代表するものであり、上述のミル仕上げシートと同様の電極浸食及び固着、すなわち、５０回の溶接後の電極劣化及び３００回の溶接後の過度の浸食を示した。

本開示の態様は、抵抗溶接プロセスの一貫性及び反復性を改善し、ＲＳＷ溶接ミル仕上げアルミニウムと比較して、破壊をもたらすような分解、及びＲＳＷプロセスの効率の改善の必要性を低減する、アルミニウムシートの表面を強化する方法に関する。本開示の一実施形態によれば、電極／スタックアップ界面（複数可）での選択的な表面強化は、シート間（又は接合）表面でよりも、電極／スタックアップ界面での抵抗が低くなり、電極の摩耗及び浸食を減少させる。従来の銅系電極を使用する場合、電極ドレッシング及び交換を延長してプロセスの効率を高めることができる。さらに、選択的な表面強化により、耐熱系金属及び合金、ならびにニッケル系合金などの代替的な電極材料を採用することが可能になる。これらの電極材料は、電気及び熱伝導性がより低いため溶接に追加的な熱を提供し、また従来のアルミニウム表面はこれらの材料から作製された電極を非常に迅速に損傷するため、表面強化を施した場合でのみ使用できる。本開示のアプローチは、低減された電流レベルでの抵抗溶接を可能にし、ユーザーに対して、鋼を溶接するために採用されるのと同じ抵抗溶接機器でアルミニウムを溶接することを可能にする。

図１５は、例えば、一対の溶接電極、すなわちアノード１４３０とカソード１４３２の間に位置する１４１０Ａ１及び１４１０Ｂ１のような、アルミニウム合金シートの二つのシート（２Ｔ）ＲＳＷのスタックアップ１４０５Ａ、１４０５Ｂ、１４０５Ｃ、１４０５Ｄの四つを示す。スタックアップ１４０５Ａは、二つのミル仕上げシート１４１０Ａ１、１４１０Ｂ１からなる基準構成を示し、これは、表面処理又は変換コーティングを、すべての表面に対して一貫して適用してもよいし、適用しなくてもよい。上述したように、本開示の態様は、アノード１４３０との界面で、例えばスタックアップ１４０５Ｂの１４１０Ａ２のようなシートの表面上に、より低い電気抵抗酸化物層１４１４Ａを有し、及び対向側の接合界面で、例えば１４１６Ａのようなより高い電気抵抗層を有するスタックアップである。一実施形態では、スタックアップ１４０５Ｂによって示されるように、両側１４１４Ａ及び１４１６Ａの抵抗は、片側のアノード１４３０との接触界面にわたって、及び上部シート１４１０Ａ２と底部シート１４１０Ｂ２との間の界面（接合界面）にわたって、安定しており一貫性がある。上部シート１４１０Ａ２の好ましい配向は、低抵抗側（「Ｌｏｗ Ｒｅｓ」）をＤＣタイプの溶接システム用のアノード電極１４３０に接して配置する配向である。スタックアップ１４０５Ｂ、１４０５Ｃ及び１４０５Ｃは、様々なスタックアップを示しており、低抵抗層１４１６Ａが、基準スタックアップ１４０５Ａよりも改善されたＲＷＳを提供するために利用される。スタックアップ１４０５Ｂ、１４０５Ｃ及び１４０５Ｃのそれぞれにおいて、アノード１４３０は、低抵抗面層１４１４Ａに接触する。低抵抗層１４１４Ａを有する上側にあるシート１４１０Ａ２、１４１０Ａ３、１４１０Ａ４は、スタックアップ１４０５Ｂでのように、従来的なミル仕上げシート、例えば１４１０Ｂ２と対にすることができ、スタックアップ１４０５Ａの基準構成よりも強化された溶接性能をさらに提供する。あるいは、下側にあるシートは、低抵抗表面層１４１６Ｃ（スタックアップ１４０５Ｃ）又は１４１４Ｃ（スタックアップ１４０５Ｄ）を有してもよく、これは、接合界面又はカソード界面にあり、スタックアップ１４０５Ａの基準よりも強化された溶接を提供する。少なくともアノード側に高溶接性のシートを有することは、基準構成と比較してＲＳＷ性能が増加するので、この柔軟性は、複数の供給源から受容される構成要素が一緒に接合されるような商用環境において有益である。スタックアップ１４０５Ｃに示されるように、低抵抗層１４１６Ａを有するシート１４１０Ａ３は、別の類似のシート１４１０Ｂ３と対にすることができる。スタックアップ１４０５Ｄに示されるように、低抵抗層１４１６Ｃは、カソード１４３２に接触するように位置付けられ、カソード１４３２の摩耗又は浸食を低減することが好ましいが、接合界面で高抵抗（Ｈｉｇｈ Ｒｅｓ）層１４１６Ａに接して位置付けられて、基準構成と比較して層１４１０Ａ３及び１４１０Ｂ３のＲＳＷの改善をさらにもたらしてもよい。底部シート、例えば１４１０Ｂ３又は１４１０Ｂ４のすべての表面は低抵抗タイプであってもよいが、これは、スタックアップ１４０５ＤのＲＳＷに要求されるものよりも少なくとも１０％～２０％高い溶接電流を必要とする。表３は、図１５に示すもののような、考えられる表面位置の組み合わせ、特に、二層のスタックアップについて強化された溶接性能のための高溶接性製品のシート配向を示す。

図１６は、例えば、一対の溶接電極、すなわちアノード１５３０とカソード１５３２の間に位置する１５１０Ａ１及び１５１０Ｂ１のような、アルミニウム合金シートの二つのシート（２Ｔ）ＲＳＷのスタックアップ１５０５Ａ、１５０５Ｂ、１５０５Ｃ、１５０５Ｄの四つを示す。スタックアップ１５０５Ａは、二つのミル仕上げシート１５１０Ａ１、１５１０Ｂ１からなる基準構成を示し、これは、表面処理又は変換コーティングを、すべての表面に対して一貫して適用してもよいし、適用しなくてもよい。上述したように、本開示の態様は、アノード１５３０との界面で、例えばスタックアップ１５０５Ｂの１５１０Ａ２のようなシートの表面上に、より低い電気抵抗酸化物層１５１４Ａを有し、及び例えば１５１０Ａ２のような上部シートの対向側の接合界面で、例えば１５１６Ａのようなより高い電気抵抗層を有するスタックアップである。一実施形態では、低抵抗表面１５１４Ａは、アノード１５３０及びカソード１５３２との界面においてアルミニウムシート１５１２Ａ、１５１２Ｂを著しく溶解したり、電極を損傷したりすることなく、熱及び電気伝導性が低い材料から作製されたアノード及びカソードの使用を可能にする。したがって、タングステンなどの電極材料を用いることができ、これは必要な溶接電流を少なくとも１０％低減することができる。また、耐熱性電極を使用して、別個の形状シグネチャを有する異なる形状の溶接ナゲットを作製してもよい。耐熱性電極で作製された溶接部は、より楕円形である銅電極で作製された従来のＲＳＷ溶接よりも断面が正方形に近い。

図１７は、三層（３Ｔ）ＲＳＷ溶接スタックアップ１６０５を有する、本開示の別の実施形態を示す。アルミニウムの３Ｔ ＲＳＷスタックアップは、シート表面の変動が理由で一般的ではなく、典型的には、二枚のシートを最初に溶接し、その後これらのシートのうちの一枚を三枚目のシートに溶接するという、二段階作業を必要とする。この二段階アプローチは、溶接の数を増加させ、最終的には三枚のアルミニウムシートを接合するためのプロセスのコストを増加させる。上部シート１６１２Ａ上の低抵抗層１６１４Ａの開発は、例えば、グリットブラストによって、３Ｔスタックアップ１６０５のＲＳＷを促進するために使用され得る。２Ｔ接合の場合のように、アノード電極１６３０は、第一のシート１６１２Ａの低抵抗層１６１４Ａと接触して、電極の摩耗及び浸食を低減する。以下の表４は、３Ｔスタックアップのシート表面の相対的な抵抗レベル及び位置を表し、その中には、すべての表面がミル仕上げである基準スタックアップ、ならびにアノード界面に低抵抗表面を有する少なくとも一つのシートを利用する、本開示による九つのバリエーションを含む。シート１は、その上側面でアノード１６３０に接触する上部シートである。九つのバリエーションのうちの一部では、三つのシートのうち二つが、低抵抗表面を一つ有し、九つのバリエーションのうちの一部では、三つのシートのうち三つが、低抵抗表面を一つ有する。

シート２及び３は、従来的なアルミニウム（ミル仕上げ）又は低抵抗側を有するシートであってもよい。低抵抗は、ミル仕上げと対にすると良好な溶接性能を示すため、良好な溶接を３Ｔ接合部で得ることができる。一つの低抵抗表面を有するシートが別のそのようなシートに隣接して積み重ねられる場合、隣接する接合面は、好ましくは、接合界面に熱を提供する、ミル仕上げ表面などの高抵抗表面である。一般的に、高抵抗表面に隣接して位置付けられた低抵抗表面は、より良好な接触均一性を有し、二つの高抵抗表面が並置される場合よりも改善された溶接性能をもたらす。界面にわたる電流移動の均一性におけるこの改善は、溶接品質の大幅な向上をもたらし、アルミニウムの３Ｔ溶接を可能にする。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例示的なものにすぎず、限定的なものではなく、多くの変更が当業者には明らかになり得ることを理解されたい。さらになお、様々なステップを任意の所望の順序で実行することができる（及び任意の所望のステップを追加することができ、及び／又は任意の所望のステップを排除することができる）。そのような変形及び変更はすべて、本開示の範囲内に含まれるものとする。

Claims (36)

1. 抵抗溶接のための方法であって、
   （Ａ）アルミニウムから少なくとも部分的に構成された第一の部材を提供する工程と、
   （Ｂ）アルミニウムから少なくとも部分的に構成された第二の部材を提供する工程であって、前記第一の部材及び前記第二の部材の各々が、第一の電気抵抗を有する第一の外面と、第二の電気抵抗を有する第二の外面と、第三の電気抵抗を有する内部とを有する、第二の部材を提供する工程と、
   （Ｃ）より低い抵抗面を生成するために、前記第一の部材の前記第一の外面の少なくとも一部分の前記電気抵抗を減少させる工程であって、前記第一の部材の前記第二の外面は、前記より低い抵抗面よりも高い電気抵抗を保持し、より高い抵抗面である、減少させる工程と、
   （Ｄ）前記第一の部材を前記より高い抵抗面で前記第二の部材に接して配置して、前記第二の部材の前記第一又は第二の外面のいずれかに当接させ、二層スタックアップを作る工程と、
   （Ｅ）アノード及びカソードを有する電気抵抗溶接機を提供する工程と、
   （Ｆ）前記アノードを前記より低い抵抗面に接して位置付け、前記カソードを前記スタックアップの前記第二の部材に接して位置付ける工程と、
   （Ｇ）溶接電流を前記スタックアップに通過させる工程であって、前記第一の部材と前記第二の部材との間の当接面で溶接部を生成する、通過させる工程と、を含む、方法。
2. 前記減少させる工程が、前記第一の外面をグリットブラストすることによってである、請求項１に記載の方法。
3. 前記グリットブラストは、３０μｉｎ～３００μｉｎの表面粗さを生じる酸化アルミニウムグリットを用いて実施される、請求項２に記載の方法。
4. 前記減少させる工程が、化学処理によってである、請求項１に記載の方法。
5. 前記当接面が、ミル仕上げ表面である、請求項４に記載の方法。
6. 前記第一及び第二の部材の前記第一及び第二の外面が酸化物層を含み、前記酸化物層は前記減少させる工程の間、より低い抵抗面上で薄くなる、請求項４に記載の方法。
7. 前記第一の部材及び前記第二の部材の少なくとも一つがシートである、請求項６に記載の方法。
8. 前記第一の部材及び前記第二の部材の両方がシートである、請求項７に記載の方法。
9. 前記通過させる工程の後に、前記アノードをドレッシングする工程をさらに含み、前記通過させる工程は、ドレッシングの各工程を実施する前に２００回超実施される、請求項８に記載の方法。
10. 前記第二の部材の前記第一の外面の前記電気抵抗を減少させて第二のより低い抵抗面を生成する工程をさらに含み、前記カソードは前記位置付ける工程の間、前記第二のより低い抵抗面に接して位置付けられる、請求項９に記載の方法。
11. 少なくとも部分的にアルミニウムから構成された第三の部材を提供する工程であって、ここで前記第一の部材及び前記第二の部材の前記スタックアップは、二層スタックアップである、提供する工程と、前記二層スタックアップを前記第三の部材に当接して配置して三層スタックアップを生成する工程であって、前記二層スタックアップの前記第三の部材との前記当接面の各々は接合面である、生成する工程と、をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第一又は第二の部材の前記第一及び第二の表面のうちの少なくとも一つの上に配置された潤滑剤が、前記通過させる工程の間、前記表面上に留まっている、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第一又は第二の部材の前記第一及び第二の表面のうちの少なくとも一つが、前記通過させる工程の間、前記表面上に留まる変換コーティングを有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記アノード及びカソードが、少なくとも部分的に耐熱性金属から構成される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記耐熱性金属がタングステンである、請求項１４に記載の方法。
16. アルミニウム合金材料であって、
    （Ａ）第一の電気抵抗を有する第一の外面と、
    （Ｂ）第二の電気抵抗を有する第二の外面と、
    （Ｃ）第三の電気抵抗を有する内部であって、前記第一の外面の前記電気抵抗が前記第二の外面よりも低い、内部と、を備える、アルミニウム合金材料。
17. 前記第一及び第二の外面が、酸化物層を含む、請求項１６に記載の材料。
18. 前記第一の外面の前記酸化物層が、前記第二の表面の前記酸化物層よりも薄い、請求項１７に記載の材料。
19. 前記第一の部材の前記第一の外面の前記酸化物層が、厚さ３ｎｍ～５０ｎｍの範囲内である、請求項１７に記載の材料。
20. 前記第一の部材の前記第一の外面が、３０μｉｎ～３００μｉｎの範囲の粗さを有する、請求項１９に記載の材料。
21. 前記第一の部材の前記第一の外面の前記酸化物層が、非結晶性Ａｌ_２Ｏ_３から少なくとも部分的に構成されている、請求項２０に記載の材料。
22. 前記第一の部材の前記第二の外面が、ミル仕上げ表面である、請求項２１に記載の材料。
23. 前記第一及び第二の外面のうちの少なくとも一つが、その上に潤滑剤を有する、請求項２２に記載の材料。
24. 複合材であって、
    アルミニウムから少なくとも部分的に構成された第一の部材と、
    アルミニウムから少なくとも部分的に構成された第二の部材であって、前記第一の部材及び前記第二の部材のそれぞれは、第一の電気抵抗を有する第一の外面と、第二の電気抵抗を有する第二の外面と、第三の電気抵抗を有する内部とを有し、前記第一の部材の前記第一の外面の少なくとも一部分の前記電気抵抗は、前記第一の部材の前記第二の外面の前記電気抵抗よりも低く、前記第二の外面はより高い抵抗面である、第二の部材と、
    前記第一の部材は前記より高い抵抗面で前記第二の部材と並置され、前記第二の部材の前記第一又は第二の外面のいずれかに当接し、
    前記第一の部材及び前記第二の部材の前記当接面を接合する溶接部と、を備える、複合材。
25. 前記溶接部が抵抗スポット溶接部である、請求項２４に記載の複合材。
26. 前記第一の外面の前記部分が、グリットブラストされた表面である、請求項２５に記載の複合材。
27. 前記当接面がミル仕上げ表面である、請求項２６に記載の複合材。
28. 前記第一及び第二の外面が酸化物層を含み、前記第一の部材の前記第一の外面の前記酸化物層が、その前記第二の表面の前記酸化物層よりも薄い、請求項２７に記載の複合材。
29. 前記第一の部材の前記第一の外面の前記部分の前記酸化物層が、厚さ３ｎｍ～５０ｎｍの範囲内である、請求項２８に記載の複合材。
30. 前記第一の部材の前記第一の外面の前記部分が、３０μｉｎ～３００μｉｎの範囲の粗さを有する、請求項２９に記載の複合材。
31. 前記第一の部材の前記第一の外面の前記部分の前記酸化物層が、非結晶性Ａｌ_２Ｏ_３から少なくとも部分的に構成されている、請求項３０に記載の複合材。
32. 前記第一の部材の前記第二の外面が、ミル仕上げ表面である、請求項２４～３１のいずれかに記載の複合材。
33. 前記第一の部材及び前記第二の部材のうちの少なくとも一つがシートである、請求項３２に記載の複合材。
34. 前記第一の部材及び前記第二の部材の両方がシートである、請求項３３に記載の複合材。
35. アルミニウムで少なくとも部分的に構成された第三の部材をさらに含み、前記第二の部材は前記第三の部材に当接し、前記第二の部材を前記第三の部材に接合する第二の溶接部をさらに含む、請求項３４に記載の複合材。
36. 前記複合材が、車両本体の一部を形成する、請求項３５に記載の複合材。

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