JP6006805B2 - 異種材を接合するための方法 - Google Patents

Description

＜関連出願の記載＞
本願は、２０１１年１２月２０日に出願され、発明の名称が「異種材を接合するための装置および方法」である米国特許出願第６１／５７８，６３４号に基づく優先権を主張し、その内容全体を参照によって本明細書に組み込まれるものとする。

＜背景＞
金属材料シートの接合は、溶接技術、典型的には抵抗スポット溶接ＲＳＷにより行われる。しかし、ＲＳＷは、特定の材料が特定の厚さになると不可能である。

＜要旨＞
本発明の開示は、特定の材料どうし（例えばアルミニウム合金シートとスチールシート、または他のシートどうし）を直接溶接（すなわち抵抗スポット溶接により）する様々な実施形態を提供する。本発明の開示は、約７ｍｍ未満の厚さ（例えば約６．５ｍｍ未満の最小シートゲージ）を有するシートを接合するために、溶接を含む接合方法を使用する。本発明の開示の一態様では、装置が配備される。幾つかの実施形態において、装置は、第１材料の第１シートと、第２材料の第２シートと、複数の抵抗スポット溶接部を含むジョイントとを具え、第１シートの厚さは第２シートの厚さの少なくとも約１．５倍である。

１つの方法では、抵抗スポット溶接構造体は金属シートから構成される。スチールを含む構造体があり、アルミニウムを含む構造体もある。金属を接合するプロセスは、他に、ろう付け、はんだ付け、アプセットバット溶接、フラッシュ溶接、冷間／圧力溶接、およびガス金属アーク溶接を含む。

本発明の開示の一態様では、装置を提供する。幾つかの実施形態において、装置は、第１材料の第１シートと、第２材料の第２シートと、複数の抵抗スポット溶接部を含むジョイントとを具え、第１シートの厚さは第２シートの厚さの少なくとも約１．５倍である。

本発明の開示の一態様において提供される装置は、第１材料を含む少なくとも１つの第１シートと、第２材料を含む少なくとも１つの第２シートと、ＲＳＷを含むジョイントとを具えており、第１材料の熱伝導率および電気伝導率の少なくとも一方が第２材料より少なくとも１０％低く、第１シートの厚さは第２シートの厚さの少なくとも約１．５倍である。

本発明の開示の別の態様における装置は、アルミニウム合金を含む少なくとも１つの第１シートと、非アルミニウム材（例えばＴｉ、Ｍｇ、スチール、Ｃｕ）を含む少なくとも１つの第２シートと、第１シートを第２シートに接合するように構成された抵抗スポット溶接部（ＲＳＷ）を含むジョイントとを具え、第２シートに対する第１シートの厚さ比が少なくとも約１．５である。

本発明の開示の別の態様において提供される装置は、第１材料からなる少なくとも１つの第１シートと、第１材料とは異なる第２材料からなる少なくとも１つの第２シートと、複数のＲＳＷを含むジョイントとを具え、第１シートの厚さが第２シートの厚さの少なくとも約１．５倍である。

本発明の開示の別の態様において提供される装置は、第１材料からなる少なくとも１つの第１シートと、第１材料とは異なる第２材料からなる少なくとも１つの第２シートと、複数の溶接接合部（例えば抵抗スポット溶接による接合部）を含むジョイントとを具え、第１シートの厚さが第２シートの厚さの少なくとも約１．５倍である。

本発明の開示のさらに別の態様において提供される装置は、アルミニウム合金を含む少なくとも１つの第１シートと、銅含有材料を含む少なくとも１つの第２シートと、ＲＳＷ溶接部を含むジョイントとを具え、第１材料は、熱伝導率および電気伝導率の少なくとも１つが第２材料より少なくとも１０％高く、第１シートの厚さが第２シートの厚さの少なくとも約１．５倍である。

幾つかの実施形態において、溶接部は、ＪＩＳ Ｚ３１３７に準拠して測定した十字引張強度(cross-tension strength)が約２．６７ｋＮ以上である。

幾つかの実施形態において、アルミニウム材は、ＡＡ系１ｘｘｘ、ＡＡ系２ｘｘｘ、ＡＡ系３ｘｘｘ、ＡＡ系５ｘｘｘ、ＡＡ系６ｘｘｘ、ＡＡ系７ｘｘｘ、またはそれらの組合せから成る群から選択される。幾つかの実施形態において、アルミニウム材はアルミニウム協会規格５１８２、５７５４、６０１３、６０２２、７０５５、および７０７５から選択される。

幾つかの実施形態において、第１シートはモノリシックアルミニウム合金を含む。幾つかの実施形態において、第１シートは多層アルミニウム合金を含む。限定しない幾つかの実施例において、層状アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｚｎ合金、被覆アルミニウム合金、めっきアルミニウム合金、ならびに／またはクラッド材（例えば４０４７の４ｘｘｘ系アルミニウム合金との６ｘｘｘ又は３ｘｘｘ系アルミニウムクラッド、１ｘｘｘもしくは７ｘｘｘ系アルミニウム合金との５ｘｘｘ系アルミニウム合金クラッド、および１ｘｘｘ、６ｘｘｘもしくは７ｘｘｘ系アルミニウム合金との２ｘｘｘ系アルミニウム合金シートクラッド等）を含む。

幾つかの実施形態において、少なくとも１つの第１シートは複数のシートを含む。幾つかの実施形態において、少なくとも１つの第２シートは複数のシートを含む。幾つかの実施形態において、溶接部はＴ２溶接部（２枚のシート）、Ｔ３溶接部（３枚のシート）、Ｔ４溶接部（４枚のシート）、Ｔ５溶接部（５枚のシート）、Ｔ６溶接部（６枚のシート）、Ｔ７溶接部（７枚のシート）、またはそれ以上を含む。幾つかの実施形態において、ジョイントは、１枚のアルミニウム合金シートおよび２枚の非アルミニウム合金シートの３Ｔ溶接部を含む。幾つかの実施形態において、ジョイントは、２枚のアルミニウム合金シートおよび１枚の非アルミニウム合金シートの３Ｔ溶接部を含む。幾つかの実施形態において、３Ｔ溶接部は、１枚のシートに対して異なる向きの２枚のシート（例えば２：１で積層されるか、間に挟み込まれるなど）を含む。

幾つかの実施形態において、第１シートの厚さは約５ｍｍ以下である。

幾つかの実施形態において、第２シートに対する第１シートの厚さ比は少なくとも約６：１である。

幾つかの実施形態において、装置は自動車構造(auto structure)、ボディ構造(body structure)、または閉鎖パネル(closure panel)を含む。幾つかの実施形態において、ジョイント（ＲＳＷ）は、装置に（すなわち装置を通して）電気的アースが形成されるように、またはアルミニウム合金とスチールボディとの間にアース経路が形成されるように構成される。

幾つかの実施形態において、ジョイントは溶接接合部を含む。幾つかの実施形態において、溶接（ＲＳＷ）された溶接接合部は、第１シートと第２シートとの間に接着材(adhesive)を含む。幾つかの実施形態において、溶接接合部は、溶接部に防食性をもたらすように構成される。接着材の限定されない幾つかの実施例は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、およびそれらの組合せを含む。

幾つかの実施形態において、第１シートおよび第２シートの少なくとも一方は、その一部分に沿って潤滑剤を含む。幾つかの実施形態において、潤滑剤はシートの加工（例えば打抜き、圧延、成形等）後にシートに残存する。潤滑剤の限定されない幾つかの実施例は、乾性皮膜潤滑剤、水ベース潤滑剤、石油ベース潤滑剤、およびそれらの組合せを含む。幾つかの実施形態において、溶接する前に、潤滑剤付きのシートは、溶接または溶接接合の前に洗浄（すなわち潤滑剤を除去）する必要は無い。

幾つかの実施形態において、溶接部の溶接ボタンプルアウト範囲は、ＪＩＳ Ｚ３１４０に準拠して測定した規定ゲージ(governing gauge)の平方根の少なくとも約３倍である。幾つかの実施形態において、溶接部の十字引張強度は、ＪＩＳ Ｚ３１３７に準拠して測定したとき、約０．９ｋＮ以上である。幾つかの実施形態において、溶接部の引張強度は、ＪＩＳ Ｚ３１３８に従って測定したときに、約４．４５ｋＮ以上である。

幾つかの実施形態において、第１シートは展伸材(wrought material)、鋳造材、またはそれらの組合せを含む。幾つかの実施形態において、第２シートは展伸材、鋳造材、またはそれらの組合せを含む。

幾つかの実施形態において、電極インサートの電気伝導率は約８０％ＩＡＣＳ以下である。

幾つかの実施形態において、第１材料／第１シートは、熱伝導率および電気伝導率の少なくとも一方が第２材料より少なくとも１０％低い。

幾つかの実施形態において、第２材料は、チタン材（チタン金属またはチタン合金）、マグネシウム材（マグネシウム金属またはマグネシウム合金）、スチール材（スチール合金）、および銅材（銅金属または銅合金）から成る群から選択される。

本発明の開示の一態様で提供される方法は、第１材料からなる少なくとも１つの第１シートを第１材料とは異なる第２材料からなる少なくとも１つの第２シートと重ね合わせるステップを有し、第１シートの厚さが第２シートの厚さの１．５倍以上であり、一対の電極を第１シートおよび第２シートの対向面に接触させて溶接ゾーンを画定するステップを有し、電極の少なくとも一方は約５４％ＩＡＣＳ以下の電気伝導率を有する電極インサートを具えており、溶接ゾーンに少なくとも１つの抵抗スポット溶接部が形成されるように第１シートを第２シートに溶接して第１シートを第２シートに接合するステップを有している。

本発明の開示の一態様で提供される方法は、アルミニウム合金からなる少なくとも１つの第１シートを第２材料からなる少なくとも１つの第２シートと重ね合わせるステップを有し、第２材料がスチール、スチール合金、マグネシウム、マグネシウム合金、チタン、チタン合金、およびそれらの組合せから成る群から選択され、第１シートの厚さが第２シートの厚さより少なくとも約１．５倍で、第１材料の電気伝導率および熱伝導率の少なくとも一方が第２材料より少なくとも１０％低く、一対の電極を第１シートおよび第２シートの対向面に接触させて溶接ゾーンを画定するステップを有し、電極の少なくとも一方は約５４％ＩＡＣＳ以下の電気伝導率を有する電極インサートを具えており、第１シートの一部分および第２シートの一部分に跨るゾーンを加熱するステップを有し、金属間化合物を前記ゾーン全体に分配して第１シートおよび第２シートを接合するステップを有している。

幾つかの実施形態において、接触ステップはさらに、溶接前に溶接ゾーン全体に亘って第１シートおよび第２シートに少なくとも約２ｋＮ（例えば４５０ポンド）の力を加えることを含む。

幾つかの実施形態において、溶接ステップはさらに、少なくとも約６０ミリ秒の溶接時間、少なくとも約１５ｋＡの電流を溶接ゾーンに印加することを含む。幾つかの実施形態において、溶接ステップは、約５００ミリ秒以下の溶接時間、約４５ｋＡ以下の電流を溶接ゾーンに印加することを含む。

幾つかの実施形態において、加熱ステップはさらに、少なくとも１つの抵抗スポット溶接部が形成されるように溶接ゾーンで第１シートを第２シートに抵抗スポット溶接し、第１シートを第２シートに接合することを含む。

幾つかの実施形態において、アルミニウムシートは約７ｍｍ以下の厚さである。

幾つかの実施形態において、溶接ステップは、溶接ゾーンを少なくとも７５０℃の温度に加熱することを含む。

本明細書で使用する「シート」という語は、幅が広く比較的薄肉片状の材料を意味する。幾つかの実施形態において、第１シートおよび第２シートは金属または金属の合金である。幾つかの実施形態において、シートは平面状である。幾つかの実施形態において、シートは曲げ加工および／または形状成形加工され(shaped)、平面状ではない。

幾つかの実施形態において、第１シートはアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む。幾つかの実施形態において、あらゆる種類のアルミニウム合金（例えばアルミニウム協会規定）でも本発明の装置および方法に使用されることができる。本発明の開示の１又は複数の実施形態で使用可能なアルミニウム合金の限定されない実施例として、１ｘｘｘ、２ｘｘｘ、３ｘｘｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、７ｘｘｘ、またはそれらの組合せが挙げられる。限定されない幾つかの実施例において、アルミニウム協会規格５１８２、５７５４、６０１３、６０２２、７０５５、および７０７５等の合金が使用される。

幾つかの実施形態において、第２シートは、スチール、ステンレス鋼、マグネシウム、銅、またはチタンのうちの少なくとも１つを含む。幾つかの実施形態において、第１または第２シートはモノリシックアルミニウム合金である。幾つかの実施形態において、アルミニウム合金は、限定されない実施例としてＡｌ‐Ｓｉ合金またはＡｌ‐Ｓｉ‐Ｚｎ合金などの複層（例えば異なる合金）である。幾つかの実施形態において、シートはクラッド材を含む。クラッド材の限定されない実施例として、４ｘｘｘ系アルミニウム合金（例えば４０４７）と６ｘｘｘまたは３ｘｘｘ系アルミニウムのクラッド、１ｘｘｘまたは７ｘｘｘ系アルミニウムと５ｘｘｘ系アルミニウムのクラッド、１ｘｘｘ、６ｘｘｘ、または７ｘｘｘ系アルミニウムと２ｘｘｘ系アルミニウムのシートクラッドが挙げられる。幾つかの実施形態において、合金は、シートの層内に例えば２種以上の異なる合金を含む２層アルミニウムシートを含む。幾つかの実施形態において、複数のシート（すなわち２以上のシート）は本発明の開示の１又は複数の実施形態に従って接合（例えば溶接）される。

幾つかの実施形態において、装置および／または方法に従って接合されるシートは、アルミニウムとスチール、アルミニウムとマグネシウム、アルミニウムとチタン、アルミニウムと銅、マグネシウムとスチール、およびそれらの組合せを含む。

幾つかの実施形態において、各シート（第１シートまたは第２シート）は約５ｍｍ以下、約４．５ｍｍ以下、約４ｍｍ以下、約３．５ｍｍ以下、約３ｍｍ以下、約２．５ｍｍ以下、約２ｍｍ以下、約１．５ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約０．５ｍｍ以下、または約０．１ｍｍ以下である。

幾つかの実施形態において、シート（第１または第２シート）は少なくとも約５ｍｍ、少なくとも約４．５ｍｍ、少なくとも約４ｍｍ、少なくとも約３．５ｍｍ、少なくとも約３ｍｍ、少なくとも約２．５ｍｍ、少なくとも約２ｍｍ、少なくとも約１．５ｍｍ、少なくとも約１ｍｍ、少なくとも約０．５ｍｍ、または少なくとも約０．１ｍｍである。幾つかの実施形態において、第１シートは約１ｍｍないし約３．５ｍｍである。幾つかの実施形態において、第２シートは約０．６ｍｍないし約１．５ｍｍである。

幾つかの実施形態において、第２シートに対する第１シートの厚さ比は少なくとも約１：１、少なくとも約２：１、少なくとも約３：１、少なくとも約４：１、少なくとも約５：１、またはそれ以上である。幾つかの実施形態において、第２シートに対する第１シートの厚さ比は約１：１以下、約２：１以下、約３：１以下、約４：１以下、約５：１またはより大きい比率以下である。幾つかの実施形態において、第１シート（例えばアルミニウムシート）は、スチールシートの厚さの約１倍ないし３倍のゲージを有する。幾つかの実施形態において、アルミニウムシートのゲージ厚さは、スチールシートの厚さの約１．５倍ないし２．５倍の範囲である。幾つかの実施形態において、装置は自動車構造（例えばボディ構造および／または閉鎖パネル）を含む。幾つかの実施形態において、装置は閉鎖パネルを含む。

幾つかの実施形態において、第１シートに対する第２シートの厚さ比は少なくとも約１：１、少なくとも約２：１、少なくとも約３：１、少なくとも約４：１、少なくとも約５：１、少なくとも約６：１、またはそれ以上である。幾つかの実施形態において、第１シートに対する第２シートの厚さ比は約１：１以下、約２：１以下、約３：１以下、約４：１以下、約５：１以下、約６：１以下、またはそれより低い。幾つかの実施形態において、第２シート（例えば非アルミニウムシート）は、第１シート（例えばアルミニウムシート）の厚さの約１倍ないし３倍のゲージを有する。幾つかの実施形態において、スチールシートのゲージ範囲はアルミニウムシートの厚さの約１．５倍ないし２．５倍である。

本明細書で使用する電気伝導率(electric conductivity)という語は、電気を通すことができる材料の能力のことを指す。幾つかの実施形態において、第１シートの電気伝導率は、第２シートの電気伝導率より少なくとも約１０％低い電気伝導率を含む。後記する表は、種々の材料の電気伝導率と熱伝導率について、アルミニウムに対する比を示している。表に示す通り、アルミニウムの電気伝導率は他の金属より高い。幾つかの実施形態において、アルミニウムの伝導率はスチール合金より４倍ないし５倍高く、ステンレスおよびチタンと比較すると、アルミニウムとこれらの材料との間の伝導率の差はさらに大きい（例えば約２０倍ないし４０倍）。特定の機構または理論に拘束されるものでないが、抵抗熱は電気伝導率に反比例すると考えられる。したがって、アルミニウムを前述の材料に接合する際、与えられた電流に対して発生する熱に不一致が存在する。幾つかの実施形態において、本発明の開示の方法では適切なヒートバランスを達成することにより、アルミニウム内での過度の溶融および／または電極溶込みを生じることなく、材料の接合が行われる。幾つかの実施形態において、第１シートの電気伝導率は、第２シートの電気伝導率より少なくとも約３倍高い。幾つかの実施形態において、第１シートの電気伝導率は、第２シートの電気伝導率より少なくとも約２倍高い。幾つかの実施形態において、第１シートの電気伝導率は、第２シートの電気伝導率より少なくとも約４倍高い。

表１は、非アルミニウム金属（例えば銅、マグネシウム、スチール、ステンレススチール、およびチタン）と比較したアルミニウム合金の平均の電気伝導率および熱伝導率（１ｘｘｘ、３ｘｘｘ、４ｘｘｘ、５ｘｘｘ、６ｘｘｘ、および７ｘｘｘ合金の平均値）のおおよその比を示す。

本明細書で使用する熱伝導率という語は、熱を伝えることができる材料の能力のことを指す。幾つかの実施形態において、第１シートの熱伝導率は、第２シートの電気伝導率より少なくとも約１０％低い。上述したように、アルミニウムと表中の他の例示的材料との間には熱伝導率に差がある。一般的に、アルミニウムの熱伝導率はスチールの略３倍ないし４倍である。幾つかの実施形態において、溶接は、インサート電極を使用して、溶接領域（例えば溶接ゾーン全体）の熱伝達を変化させて、金属と金属の熱伝導率の差を補正することを含む。幾つかの実施形態において、インサート電極は、シート材を溶接接合するのに充分な温度をジョイント全体に付与することができる。

本明細書で使用する「ジョイント」という語は、２つの物体が接続される位置のことを指す。

幾つかの実施形態において、ジョイントは、第１シートと第２シートの重なり合う部分を含む。幾つかの実施形態において、ジョイントは溶接部を含む。幾つかの実施形態において、ジョイントは溶接接合部を含む。幾つかの実施形態において、溶接接合部は、第１シートと第２シートとの接着材から形成され、接着材を通して溶接され、両シートは、接着材接合及び溶接によって接合される。限定されない接着材の実施例として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等、およびそれらの組合せが含まれる。

本明細書で使用する「溶接部」という語は、２つの材料を溶接することによって得られるジョイントのことを指す。幾つかの実施形態において、シートは少なくともその一部分に沿って潤滑剤を含む。限定されない潤滑剤の実施例として、乾性皮膜、水ベース潤滑剤、石油ベース潤滑剤およびそれらの組合せを含む。

幾つかの実施形態において、形成された溶接部（ジョイント）の試験は、２つのシートは互いに引き離すことにより行われる。ジョイント（溶接部）のゾーンが他のシートから材料を引き離す場合、形成されたゾーンはボタンと称される。ボタンを定量化するとき（例えば不良溶接ゾーン／不良モードを含む溶接ゾーンを測定するために）、ボタンのプルアウト範囲が用いられる。本明細書で使用する「ボタンプルアウト範囲(button pullout range)」という語は、ボタンまたは界面破壊（例えば不良モードを示す）の直径のことを指す。幾つかの実施形態において、ボタンプルは、剥離試験で現れる対向するシートの部分のことを指す（プルアウト範囲が大きさを定量化する）。幾つかの実施形態において、ボタンプルアウト範囲は規格要件（例えば米国溶接協会（ＡＷＳ）または日本工業規格（ＪＩＳ））を含む。幾つかの実施形態において、ボタンプルアウト範囲は規定ゲージの平方根の少なくとも約３倍、規定ゲージの平方根の少なくとも約４倍、規定ゲージの平方根の少なくとも約５倍、または規定ゲージの平方根の少なくとも約６倍である。幾つかの実施形態において、ボタンプルアウト範囲は規定ゲージの平方根の約３倍以下、規定ゲージの平方根の約４倍以下、規定ゲージの平方根の約５倍以下、または規定ゲージの平方根の約６倍以下である。幾つかの実施形態において、規定ゲージは典型的には、２層の積層体における最も薄い部材であり、あるいは３層の積層体における２番目に薄い部材である。

本明細書で使用する「十字引張強度」という語は、溶接された材料を剥離荷重条件で測定したときの剥離強度のことを指す。幾つかの実施形態において、ジョイントの十字引張強度（すなわち剥離強度）は少なくとも約０．９ｋＮである。幾つかの実施形態において、十字引張強度はラップ剪断強度の５０％〜７５％の範囲である。幾つかの実施形態において、合金によっては、十字引張強度はさらに低く、２５％か〜３３％の範囲である。この組合せの実験の場合、十字引張強度の規格は存在しないが、ラップ剪断はＡＷＳおよびＪＩＳの両方に規格が存在するので、ラップ剪断との比率を比較した。幾つかの実施形態において、十字引張強度はラップ剪断値の約２０％ないし２５％である。幾つかの実施形態において、ジョイントは、（例えば腐食を最少にするために）金属と金属のに接着材を有する。実験を行ない、様々なアルミニウムおよび高強度スチールシートについて引張剪断強度を求め、引張資料を写真撮影した。図１５〜図１７はラップ剪断引張試験片の写真を示す。図１４はラップ剪断性能結果を示す。これらの試験の溶接サンプルは、ＪＩＳ ３１３８スポット溶接ジョイントの疲れ試験方法の試料に準拠する。本明細書で使用する「引張強度」という語は、被溶接材全域で測定されたラップ剪断のことを指す。幾つかの実施形態において、ジョイントの引張強度は少なくとも約４．４５ｋＮである。

幾つかの実施形態において、ジョイントの引張強度は、少なくとも約４．５ｋＮ、少なくとも約５ｋＮ、少なくとも約５．５ｋＮ、少なくとも約６ｋＮ、少なくとも約６．５ｋＮ、少なくとも約７ｋＮ、少なくとも約７．５ｋＮ、少なくとも約８ｋＮ、少なくとも約８．５ｋＮ、少なくとも約９ｋＮ、少なくとも約９．５ｋＮ、または少なくとも約１０ｋＮである。

幾つかの実施形態において、ジョイントの引張強度は、約４．５ｋＮ以下、約５ｋＮ以下、約５．５ｋＮ以下、約６ｋＮ以下、約６．５ｋＮ以下、約７ｋＮ以下、約７．５ｋＮ以下、約８ｋＮ以下、約８．５ｋＮ以下、約９ｋＮ以下、約９．５ｋＮ以下、または約１０ｋＮ以下である。

幾つかの実施形態において、ラップ剪断引張強度はシートゲージおよび溶接される合金によって異なる。さらに、領域内で、ラップ剪断引張強度はシートゲージと共に増加する。アルミニウム溶接部に対するアルミニウムの範囲は、表１のＡＷＳ Ｄ１７．２に示されている。本発明の開示の様々な実施形態による試験結果では、アルミニウムとスチールのジョイントの強度は、ＡＷＳ Ｄ１７．２に規定されたアルミニウムとアルミニウムのジョイントに対する強度の少なくとも８０％に達することを示した。

幾つかの実施形態において、第１シートおよび第２シートの少なくとも一方は、展伸材、鋳造材、またはそれらの組合せを含む。

本発明の別の態様では、方法を提供する。方法は、アルミニウム合金の第１シートを第２非アルミニウム材の第２シートと位置合わせするステップと、アルミニウムシートを第１シートに第２シートに溶接するステップとを含み、第１シートの厚さは第２シートの少なくとも１．５倍である。

本明細書で使用する「位置合わせ(aligning)」という語は、２つ以上の材料を一列にまたは整列することを指す。幾つかの実施形態において、位置合わせステップは、シート上で抵抗スポット溶接が行えるように、第１シートを第２シートと位置合わせすることを含む。幾つかの実施形態において、位置合わせステップは、第１シートを第２シートに重ね合わせて、重なり領域（すなわち溶接またはボンド溶接される領域）を設けることを含む。

幾つかの実施形態において、溶接は抵抗スポット溶接を含む。幾つかの実施形態において、溶接は、第１および第２シートの金属間化合物を加熱し、溶接ゾーン全体に分配する（例えば均一に分配する）ことを含む。

幾つかの実施形態において、溶接ステップは電極インサートを用いて行われる。幾つかの実施形態において、電極インサートは平滑面を有している。幾つかの実施形態において、電極インサートは溝付き面を有している。幾つかの実施形態において、電極インサートは表面に沿って同心円状パターンを有している。幾つかの実施形態において、電極インサートは粗面を有する。

幾つかの実施形態において、電極インサートの電気伝導率は、約８０％ＩＡＣＳ以下、約７０％ＩＡＣＳ以下、約６０％ＩＡＣＳ以下、約５４％ＩＡＣＳ以下、約５０％ＩＡＣＳ以下、約４０％ＩＡＣＳ、または約３０％ＩＡＣＳ以下である。幾つかの実施形態において、電極インサートの電気伝導率は、少なくとも約８０％ＩＡＣＳ、少なくとも約７０％ＩＡＣＳ、少なくとも約６０％ＩＡＣＳ、少なくとも約５４％ＩＡＣＳ、少なくとも約５０％ＩＡＣＳ、少なくとも約４０％ＩＡＣＳ、または少なくとも約３０％ＩＡＣＳである。

幾つかの実施形態において、溶接ステップは溶接ゾーンの温度を、材料を接合するのに充分な状態の温度（すなわち材料の少なくとも一方（または両方）の液相温度を上回る温度）にして、溶接ゾーンを溶融状態にすることを含む。幾つかの実施形態において、溶接温度は少なくとも約７５０℃、少なくとも約８００℃、少なくとも約８５０℃、少なくとも約９００℃、少なくとも約９５０℃、少なくとも約１０００℃、少なくとも約１１００℃、少なくとも約１２００℃、少なくとも約１３００℃、少なくとも約１４００℃、少なくとも約１５００℃、またはそれ以上である。幾つかの実施形態において、溶接ステップは溶接ゾーンを約７５０℃以下、約８００℃以下、約８５０℃以下、約９００℃以下、約９５０℃以下、約１０００℃以下、約１１００℃以下、約１２００℃以下、約１３００℃以下、約１４００℃以下、約１５００℃以下、またはそれより高い温度にすることを含む。幾つかの実施形態において、溶接温度はコンピュータモデリング（例えば有限要素解析またはＦＥＡ）により近似される。

本明細書で使用する「溶接電流」という語は、溶接を達成するために、１つの電極から溶接ゾーンを通って別の電極に流れる電流の量のことを指す。

幾つかの実施形態において、電極（すなわち電気伝導率が８０％ＩＡＣＳ以下の少なくとも１つの電極インサートを有する電極）による溶接（抵抗スポット溶接）は、溶接電流が少なくとも約１５ｋＡ、少なくとも約２０ｋＡ、少なくとも約２５ｋＡ、少なくとも約３０ｋＡ、少なくとも約３５ｋＡ、少なくとも約４０ｋＡ、少なくとも約４５ｋＡ、または少なくとも約５０ｋＡにより行われる。幾つかの実施形態において、電極（すなわち電気伝導率が８０％ＩＡＣＳ以下の少なくとも１つの電極インサートを有する電極）による溶接（抵抗スポット溶接）は、溶接電流が、約１５ｋＡ以下、約２０ｋＡ以下、約２５ｋＡ以下、約３０ｋＡ以下、約３５ｋＡ以下、約４０ｋＡ以下、約４５ｋＡ以下、または約５０ｋＡ以下により行われる。

本明細書で使用する「溶接時間」という語は、溶接電流が溶接ゾーンを通って１つの電極から別の電極に流れる時間の量のことを指す。

幾つかの実施形態において、本発明の開示に基づいて、少なくとも１つの電極インサートを用いて抵抗スポット溶接部を形成するための溶接時間は、少なくとも約５０ミリ秒、少なくとも約６０ミリ秒、少なくとも約１００ミリ秒、少なくとも約１５０ミリ秒、少なくとも約２００ミリ秒、少なくとも約２５０ミリ秒、少なくとも約３００ミリ秒、少なくとも約３５０ミリ秒、少なくとも約４００ミリ秒、少なくとも約４５０ミリ秒、少なくとも約５００ミリ秒、少なくとも約５５０ミリ秒、少なくとも約６００ミリ秒、少なくとも約６５０ミリ秒、少なくとも約７００ミリ秒、少なくとも約７５０ミリ秒、または少なくとも約８００ミリ秒である。

幾つかの実施形態において、本発明の開示に基づいて、少なくとも１つの電極インサートを用いて抵抗スポット溶接部を形成するための溶接時間は、約５０ミリ秒以下、約６０ミリ秒以下、約１００ミリ秒以下、約１５０ミリ秒以下、約２００ミリ秒以下、約２５０ミリ秒以下、約３００ミリ秒以下、約３５０ミリ秒以下、約４００ミリ秒以下、約４５０ミリ秒以下、約５００ミリ秒以下、約５５０ミリ秒以下、約６００ミリ秒以下、約６５０ミリ秒以下、約７００ミリ秒以下、約７５０ミリ秒、または約８００ミリ秒以下である。幾つかの実施形態において、様々な積層比率、合金組合せ、および電源極性効果の間で熱を適切に平衡させるために、電極の向き、形状、または寸法の少なくとも１つを相互に交換することが可能である。

幾つかの実施形態において、材料を溶接（例えばＲＳＷ）するために、上記したＩＡＣＳを有する１つの電極インサートが、ＩＡＣＳが規定された範囲外（すなわち３０％ＩＡＣＳないし８０％ＩＡＣＳの範囲外）の電極インサートを有する（またはインサート無しの）別の電極と共に使用される。幾つかの実施形態において、電極インサートのＩＡＣＳが同一である一対の電極が使用される。幾つかの実施形態において、少なくとも２つのシートを溶接するために、電極インサートのＩＡＣＳが異なる（例えば３０％から８０％の範囲内で）一対の電極が使用される。

幾つかの実施形態において、インサートの厚さは、少なくとも約４ｍｍ、少なくとも約６ｍｍ、少なくとも約８ｍｍ、少なくとも約１０ｍｍ、または少なくとも約１２ｍｍである。幾つかの実施形態において、インサートの厚さは、約４ｍｍ以下、約６ｍｍ以下、約８ｍｍ以下、約１０ｍｍ以下、または約１２ｍｍ以下である。

幾つかの実施形態において、インサートの直径は、材料本体素材(material body stock)（例えば電極本体）よりも大きいか、それと同一か、またはそれよりも小さい。幾つかの実施形態において、インサートはろう付け接合により電極の本体に接続される。幾つかの実施形態において、インサートは機械的取付けによって電極の本体に接続される。幾つかの実施形態において、インサートは、機械的インターロック、ろう付け、冷間圧力溶接、拡散、熱間アプセット溶接、および摩擦溶接などの様々な方法によって取り付けられるが、これらに限定されるものではない。

本発明の方法の１又は複数の実施形態において、溶接は、低伝導率のインサートを有する電極を使用する。特定の機構または理論に拘束されるものでないが、電極は溶接ステップで使用され、電極により溶接ゾーンの温度プロファイルおよび温度分布を変化させることにより、厚さ比および表面処理に上記制限のある材料に関し、剥離強度および引張強度の点で、従来電極で得られる溶接部よりも優れた溶接部が得られると考えられる。

幾つかの実施形態では、積層体ゲージ、合金種、製品の種類、および表面コーティングが異なる様々な態様における溶接ステップにおいて様々なインサート材を用いることができる。幾つかの実施形態において、溶接ステップは、例えば耐食性向上および腐食低減のために、様々な潤滑剤および／または接着材（例えば溶接接合部）を含むシートにおいて行われる。

幾つかの実施形態において、溶接ステップは、十字引張強度（剥離強度）が少なくとも約０．９ｋＮである溶接部を形成することを含む。幾つかの実施形態において、溶接部の十字引張強度は少なくとも約１ｋＮ、少なくとも約１．５ｋＮ、少なくとも約２ｋＮ、少なくとも約２．５ｋＮ、少なくとも約３ｋＮ、少なくとも約３．５ｋＮ、少なくとも約４ｋＮ、少なくとも約４．５ｋＮ、少なくとも約５ｋＮ、少なくとも約５．５ｋＮ、少なくとも約６ｋＮ、少なくとも約６．５ｋＮ、または少なくとも約７ｋＮである。

幾つかの実施形態において、溶接部の十字引張強度は約１ｋＮ以下、約１．５ｋＮ以下、約２ｋＮ以下、約２．５ｋＮ以下、約３ｋＮ以下、約３．５ｋＮ以下、約４ｋＮ以下、約４．５ｋＮ以下、約５ｋＮ以下、約５．５ｋＮ以下、約６ｋＮ以下、約６．５ｋＮ、または約７ｋＮ以下である。

幾つかの実施形態において、溶接ステップで形成される溶接部は、引張強度が少なくとも約４．４５ｋＮである。

幾つかの実施形態において、溶接部の引張強度は少なくとも約２ｋＮ、少なくとも約３ｋＮ、少なくとも約３．５ｋＮ、少なくとも約４ｋＮ；４．５ｋＮ、少なくとも約５ｋＮ、少なくとも約５．５ｋＮ、少なくとも約６ｋＮ、少なくとも約６．５ｋＮ、少なくとも約７ｋＮ、少なくとも約７,５ｋＮ、少なくとも約８ｋＮ、少なくとも約８．５ｋＮ、少なくとも約９ｋＮ、少なくとも約９．５ｋＮ、少なくとも約１０ｋＮ、少なくとも約１０．５ｋＮ、少なくとも約１１ｋＮ、少なくとも約１１．５ｋＮ、少なくとも約１２ｋＮ、少なくとも約１２．５ｋＮ、少なくとも約１３ｋＮ、少なくとも約１３．５ｋＮ、または少なくとも約１４ｋＮである。

幾つかの実施形態において、溶接部の引張強度は約２ｋＮ以下、約２．５ｋＮ以下、約３ｋＮ以下、約３．５ｋＮ以下、約４ｋＮ以下、約４．５ｋＮ以下、約５ｋＮ以下、約５．５ｋＮ以下、約６ｋＮ以下、約６．５ｋＮ以下、約７ｋＮ以下、約７．５ｋＮ以下、約８ｋＮ以下、約８．５ｋＮ以下、約９ｋＮ以下、約９．５ｋＮ以下、約１０ｋＮ以下、約１０．５ｋＮ以下、約１１ｋＮ以下、約１１．５ｋＮ以下、約１２ｋＮ以下、約１２．５ｋＮ以下、約１３ｋＮ以下、約１３．５ｋＮ，または約１４ｋＮ以下である。

幾つかの実施形態において、溶接ステップで形成される溶接部は、アルミニウムシートについてＡＷＳ Ｄ１７．２に規定された最小値の少なくとも８０％である。

幾つかの実施形態において、溶接部の引張強度は、ＡＷＳ Ｄ１７．２に基づいてアルミニウムシートに規定された最小値の少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約１００％、少なくとも約１２５％、少なくとも約１５０％、少なくとも約１７５％、または少なくとも約２００％である。米国溶接協会Ｄ１７．２は、航空宇宙用途向け抵抗溶接の規格である。

幾つかの実施形態において、溶接部の引張強度は、ＡＷＳ Ｄ１７．２に基づいてアルミニウムシートに規定された最小値の約８０％以下、約９０％以下、約１００％以下、約１２５％以下、約１５０％以下、約１７５％以下、または約２００％以下である。

次に、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。図面は、本発明の様々な実施形態を説明するのに少なくとも有用である。

図１Ａは、シート比（スチール対アルミニウム）及び以下の詳細な説明の中で実施した実験に基づいて得られた溶接ボタン(weld buttons)の例示的実施例を示す。 図１Ａは、シート比（スチール対アルミニウム）及び以下の詳細な説明の中で実施した実験に基づいて得られた溶接ボタンの例示的実施例を示す。

図２は、６．５ｍｍのＣｕＣｒ電極を使用し、ＤＣ１８ｋＡ、３００ミリ秒の溶接時間、１．８ｋＮの力の溶接条件で、アルミニウムシート（厚さ１ｍｍ）とスチールシート（厚さ０．５ｍｍ）を溶接したときの溶接パルスの終端時の材料温度を示す。

図３は、１００ｍｍＲのＣｕＣｒ電極を使用し、ＤＣ２４ｋＡ、２００ミリ秒の溶接時間、４ｋＮの力の溶接条件で、スチール／アルミの厚さ比が０．５のアルミニウムシート（厚さ１ｍｍ）とスチールシート（厚さ０．５ｍｍ）を溶接したときの溶接パルスの終端時の材料温度を示す。

図４は、１００ｍｍＲのＣｕＣｒ電極を使用し、ＤＣ２４ｋＡ、２００ミリ秒の溶接時間、４ｋＮの力の溶接条件で、スチール／アルミの厚さ比が２．０のアルミニウムシート（厚さ１ｍｍ）とスチールシート（４層、シート１枚当たりの厚さ０．５ｍｍ）を溶接したときの溶接パルスの終端時の材料温度を示す。

図５は、１００ｍｍＲのＣｕＣｒ電極を使用し、ＤＣ２４ｋＡ、２００ミリ秒の溶接時間、４ｋＮの力の溶接条件で、スチール／アルミの厚さ比＝３．０のアルミニウムシート（厚さ１ｍｍ）とスチールシート（６層、シート１枚当たりの厚さ０．５ｍｍ）を溶接したときの溶接パルスの終端時の材料温度を示す。

図６は、スチールとアルミニウムの積層比が異なる６種類のアルミニウムシートについて、１００ｍｍＲのＣｕＣｒ電極を使用し、ＤＣ２４ｋＡ、２００ミリ秒の溶接時間、４ｋＮの力の溶接条件で溶接したときの時間（ミリ秒）に対するピーク温度（℃単位の最高溶接温度）の変化を描いたグラフである。なお、図６中、２×０．５ｍｍスチールとは０．５ｍｍのスチールシート２枚を表す。

従来の電極（Ａ）と本発明に係るアルミニウム／スチールのＲＳＷに使用されたインサート電極（Ｂ〜Ｄ）の様々な実施例を示す。

本発明に係るアルミニウム／スチールのＲＳＷに使用された様々な電極形状についてのインサート電極の追加実施例を示す。

図９Ａは、ＲＳＷ異種材（アルミニウムとスチール）としてモデル化されたインサート電極形状の２つの実施形態のコンピュータシミュレーションを示す。線は圧力勾配と電気勾配を示す。 図９Ｂは、ＲＳＷ異種材（アルミニウムとスチール）としてモデル化されたインサート電極形状の２つの実施形態のコンピュータシミュレーションを示す。線は圧力勾配と電気勾配を示す。

図１０は、４種類の電極組合せ（インサート無し、下部インサート、上部インサート、両方インサート）について、１００ｍｍＲのＣｕＣｒ電極および１００ｍｍＲのインサート電極を使用し、ＤＣ２４ｋＡ、２００ミリ秒、４ｋＮの力の溶接条件で、スチール／アルミ比＝０．５、厚さ１ｍｍのアルミニウムを厚さ０．５ｍｍのスチールに溶接したときのアルミニウムシートの時間（ミリ秒）に対すピーク温度（測定単位は℃）の変化を示すグラフである。

図１１は、４種類の電極組合せについて、１００ｍｍＲのＣｕＣｒ電極および１００ｍｍＲのインサート電極を使用し、ＤＣ２４ｋＡ、２００ミリ秒、４ｋＮの力の溶接条件で、スチール／アルミ比＝０．２５、厚さ３ｍｍのアルミニウムを厚さ０．７５ｍｍのスチールに溶接したときのアルミニウムシートの時間（ミリ秒）に対するピーク温度（測定単位は℃）の変化を示すグラフである。

図１２は、差動熱平衡溶接で使用されるインサート電極の写真であり、電極本体の直径は１６ｍｍであり、インサート材が標準電極材支持体にろう付けされている。

図１３は、インサート電極を用いたＲＳＷによって形成されたアルミニウムとスチールの異種材ＲＳＷジョイントの剥離試験の結果を示す写真である。上シートはアルミニウム、下シートはスチールであり、剥離された溶接ボタンが各シートに沿って示されている。上部の数字は、剥離したナゲット（溶接部プルアウト）の直径の測定値を表す。対向するシートに沿って引裂部分が示されている。

図１４は、２ｍｍの６０２２−Ｔ４及び６０１３−Ｔ４と、亜鉛メッキされた０．７ｍｍ、２７０Ｍｐａスチール、０．９ｍｍ、９８０Ｍｐａスチール及１．２ｍｍ、５９０Ｍｐａスチールとを溶接したときのラップ剪断引張強度を示すグラフである。

図１５は、２ｍｍの６０２２−Ｔ４が、亜鉛めっきされた１．２ｍｍの５９０Ｍｐａスチールに抵抗スポット溶接されたときのラップ剪断引張試験片を示す写真である。

図１６は、２ｍｍの６０２２−Ｔ４０が、亜鉛めっきされた７ｍｍの２７０Ｍｐａスチールに抵抗スポット溶接されたときのラップ剪断引張試験片を示す写真である。

図１７は、２ｍｍの６０２２−Ｔ４が、亜鉛めっきされた０．９ｍｍの９８Ｍｐａスチールに抵抗スポット溶接されたときのラップ剪断引張試験片を示す写真である。

図１８は、４種類の電極組合せ（インサート無し、下部インサート、上部インサート、両方インサート）について、１００ｍｍＲのＣｕＣｒ電極および１００ｍｍＲのインサート電極を使用し、ＤＣ２４ｋＡ、２００ミリ秒、４ｋＮの力の溶接条件で、スチール／アルミ比＝０．１７、厚さ３ｍｍのアルミニウムを厚さ０．５ｍｍのスチールに溶接したときのアルミニウムシートの時間（ミリ秒）に対すピーク温度（測定単位は℃）の変化を示すグラフである。

図１９は、４種類の電極組合せ（インサート無し、下部インサート、上部インサート、両方インサート）について、１００ｍｍＲのＣｕＣｒ電極および１００ｍｍＲのインサート電極を使用し、ＤＣ２４ｋＡ、２００ミリ秒、４ｋＮの力の溶接条件で、スチール／アルミ比＝２、厚さ１ｍｍのアルミニウムを厚さ２ｍｍのスチールに溶接したときのアルミニウムシートの時間（ミリ秒）に対すピーク温度（測定単位は℃）の変化を示すグラフである。

図２０は、４種類の電極組合せ（インサート無し、下部インサート、上部インサート、両方インサート）について、１００ｍｍＲのＣｕＣｒ電極および１００ｍｍＲのインサート電極を使用し、ＤＣ２４ｋＡ、２００ミリ秒、４ｋＮの力の溶接条件で、スチール／アルミ比＝１、厚さ１ｍｍのアルミニウムを厚さ１ｍｍのスチールに溶接したときのアルミニウムシートの時間（ミリ秒）に対すピーク温度（測定単位は℃）の変化を示すグラフである。

図２１Ａは、様々なＴ３サンプルにおける抵抗スポット溶接部の断面図であり、第１シート材と第２シート材の溶接部で異なる向きの溶接ゾーンを示している。 図２１Ｂは、様々なＴ３サンプルにおける抵抗スポット溶接部の断面図であり、第１シート材と第２シート材の溶接部で異なる向きの溶接ゾーンを示している。 図２１Ｃは、様々なＴ３サンプルにおける抵抗スポット溶接部の断面図であり、第１シート材と第２シート材の溶接部で異なる向きの溶接ゾーンを示している。 図２１Ｄは、様々なＴ３サンプルにおける抵抗スポット溶接部の断面図であり、第１シート材と第２シート材の溶接部で異なる向きの溶接ゾーンを示している。 図２１Ｅは、様々なＴ３サンプルにおける抵抗スポット溶接部の断面図であり、第１シート材と第２シート材の溶接部で異なる向きの溶接ゾーンを示している。

本発明のこれらおよび他の態様、利点、および特徴は、当業者であれば、以下の説明及び図面の記載に基づいて明らかになるであろうし、本発明の実施により理解し得るであろう。

＜詳細な記載＞
本発明の１又は複数の実施形態に基づいて、非アルミニウム（例えばスチール）シートとアルミニウムシートとの間にジョイントを形成するための方法を提供する。幾つかの実施形態において、アルミニウムシートの厚さはスチールシートの厚さより大きいか、あるいはそれと等しい。幾つかの実施形態において、ジョイント（例えば溶接部）の形成は下側シートへのろう付けまたは亜鉛めっきなどのコーティング無しで行われる。幾つかの実施形態において、アルミニウム合金は、モノリシックアルミニウム合金、多層合金アルミニウムシート（ろう付けシートもしくはクラッドシート）または表面が被覆もしくはめっきされたアルミニウム合金シート（例えば亜鉛めっきシート）を含む。

幾つかの実施形態において、ジョイント（例えば溶接部）は、コーティング（下側シートへのろう付け、亜鉛めっき等）無しで第１シートを第２シートに溶接することによって形成される。第１シートは、例えば、ろう付けされたシート（例えばアルミニウムまたはモノリシックアルミニウム）、前記ろう付けシートにクラッド（例えば厚さの５〜１５％）されたろう付け合金、または下面が亜鉛めっきされたシート（例えば亜鉛コーティング）である。幾つかの実施形態において、溶接部は複数のスポット溶接部（ろう付け材又はろう付けされた材料でない）である。

幾つかの実施形態において、ろう付け合金へのクラッド形成は、ろう付けされた合金の厚さの少なくとも約５％、ろう付けされた合金の厚さの少なくとも約１０％、またはろう付けされた合金の厚さの少なくとも約１５％である。幾つかの実施形態において、ろう付け合金へのクラッド形成は、ろう付けされた合金の厚さの約５％以下、またはろう付けされた合金の厚さの約１５％以下である。

幾つかの実施形態において、溶接プロセスでは、電極が、例えば溶接プロセス中に熱平衡を変化させるために、溶接界面／溶接ゾーン全体に亘って差動加熱(differential heating)が可能となるように構成される。幾つかの実施形態において、電極の電極インサートは、シート全体に亘って差動加熱が行われ、例えばＲＳＷにより、シートの適切な接合が行われる。

幾つかの実施形態において、溶接ゾーンに生成された金属間化合物は、ジョイント界面全体に分配される（例えば均一に分配される）。したがってジョイントの全体強度が増大する。幾つかの実施形態において、本発明の開示は、スチールストリップよりも厚いアルミニウムストリップとスチールストリップとの接合を提供するものである。幾つかの実施形態において、そのような接合は、電極が過度に溶込みすることなく行われる。

幾つかの実施形態において、溶接は、従来のＲＳＷ装置を用いて行われ、該装置には、ＡＣまたはＤＣ電源、ペデスタルまたはガン溶接機が含まれる。幾つかの実施形態において、溶接は、従来の伝導率の高い銅または銅合金の電極（ＲＷＭＡクラス１、２、または同等クラス）に代えて、電気伝導率が約５４％ＩＡＣＳ（国際軟銅規格）以下の材料から構成された電極を用いて行われる。特定の理論または機構に拘束されるものでないが、本発明の開示における溶接電極は、ゾーン全体の熱伝達を変化させるのに充分な時間、溶接ゾーンに熱を加えるので、母材金属は液状になり、溶接部では両シートの溶融金属が混合すると考えられる。

幾つかの実施形態において、溶接部の形成は、溶接ジョイントに高温（例えば、材料を溶融状態にするためにアルミニウムシート材の液相温度以上）をもたらすが、電極がアルミニウムストリップに過度に付着し合金化しない溶接条件で行われる。これにより、溶接部の全体に亘って金属間化合物が分散され、高強度（例えば剥離強度が向上した）の溶接部が得られると考えられる。本発明の開示における１又は複数の実施形態において、アルミニウム部品（例えばアルミニウムシート）は、部品ベースでスチール組立体に組み込まれる。

一連を実験を、０．９ｍｍの６０２２アルミニウムおよび０．４ｍｍの亜鉛めっきスチールについて行なった。剥離試験で、アルミニウム部材に溶接ボタンが得られるまで、図１に示されるように溶接積層体に０．４ｍｍの追加ゲージを追加する試験を何回か行なった。図１において、アルミニウムは溶接積層体の上側ストリップ（灰白色）であり、スチールは、アルミニウムシートの下で、薄肉で暗い色のシートとして示されている。図１に示す実験で行われたすべての溶接は、従来のＲＳＷ装置、溶接条件、および電極を用いて行なわれたものである。

用途によっては、アルミニウムストリップは相手側のスチールストリップよりも厚く、これは図１の左側２つの図に示される。アルミニウムストリップに対するスチールストリップの合計厚さの比が１．０より小さい場合、溶接実験では溶接ボタン（すなわち溶融金属のプルアウト）を生じず、代わりに低強度の界面結合を生じた。このように、従来のＲＳＷプロセスでは、剥離試験でボタンプルアウトを生じるだけの充分な強度を持つ溶接ゾーンを生成することができなかった。スチールのアルミニウムに対する厚さ比が１より小さい実験条件では、溶接ボタンの大きさは０であった（溶接ゾーンの界面が不良であり、相手側材料がプルアウトされなかったことを意味する、）。スチールの比が１を超える積層体状態（図１の右側４つの図）では、実験的試験で、剥離試験中にボタンプルアウトが生じた。一般的に、溶接部のボタンプルアウトにより、溶接部の強度は向上する。

一連のコンピュータシミュレーションにより、溶接ゾーン全体の温度モデル、すなわち電極からシート材への熱伝達モデルを作成した。まず最初に、基準条件(baseline conditions)となる手段として、従来の装置、電極、および材料のシミュレーションを行なった。図１に示す実験条件を（例えばモデルと実験的結果とを確認するために）シミュレートした。また、（例えば溶接性能に対する電極の伝導率および形状の影響を調べるために）本発明の開示の様々な実施形態のシミュレーションも行なった。

図２は、標準設備と従来の溶接手順（基準手順）を使用し、１ｍｍのアルミニウムと０．５ｍｍのスチールとの溶接をシミュレーションした結果を示している。図２を参照すると、この溶接形態では、過度の電極痕(electrode indentation)（およびその結果としてのアルミニウム材の薄肉化）を生じていることがわかる。さらなる実験でも同様の結果を生じ、得られたジョイントは、シートが過度に薄肉化されており、剥離強度は低かった。このように、この種の溶接ジョイントは不合格で、強度が要求される構造体の溶接に使用することができない。

図３は、基準（従来）の設備、修正された溶接手順および電極形状を使用し、１ｍｍのアルミニウムと０．５ｍｍのスチールとの溶接をシミュレーションした結果を示しており、アルミニウムシートの薄肉化量は低減されている。電極形状が新しいため、図３では、図２と比べて、電極の溶込みは著しく低減されたが、溶接ゾーンに発生した熱量は図２の場合より少ないので、材料どうしが充分に溶融できるほどの高温に達していない。このシミュレーションの溶接部の状態は、図１に示される溶接部の状態（Ａ）であり、界面溶接破断を生じた実験結果と同じである。

図４および図５は、全体的な溶接部の形成および溶接部の大きさ（例えばナゲットの大きさ）に対する複数のスチールシートの影響を示す。図４および図５を参照すると、図２と同一の溶接条件を使用し、１ｍｍのアルミニウムと４枚または６枚の０．５ｍｍのスチールシートとの溶接シミュレーション結果が示されている。このシミュレーションは、図１に示された（Ｄ〜Ｆ）の例であり、スチールのアルミニウムに対する厚さ比が約２または約２より大きい（例えば、１．８、２．２、２．７）である。シミュレーション結果では、スチールのアルミニウムに対する比が１を超えると、ジョイントは高温を得ることができ、比が１未満のジョイントよりも（例えば上記の（Ａ）と比較して）均一性が高くなることが明らかになった。

図６は、様々な枚数の０．５ｍｍのスチールシートに対する１ｍｍのアルミニウムの溶接シミュレーションで算出された最高溶接温度を示す。図６を参照すると、１ｍｍのアルミニウムと０．５ｍｍのスチール（スチール／アルミ比＝０．５）との溶接で観察された最高温度は約７５０℃であった。スチールのアルミニウムに対する比が２より大きいと（例えば３．０および４．０）、最高温度は１１００℃を超える。アルミニウムシート／部材に電極の溶込みはほとんど観察されなかった。

本発明の開示における１又は複数の実施形態において、本発明の製品／装置を作成するために本方法で使用される電極は、ＲＳＷで用いられる従来の電極より伝導率が低い電極を含む。幾つかの実施形態において、電極の伝導率は約６０％ＩＡＣＳ（国際軟銅規格）以下である。限定されない幾つかの実施例において、電極は、タングステン銅合金、タングステンカーバイド銅合金、モリブデン、タングステン、銅ベリリウム、銅ニッケルベリリウム、銅ニッケルシリコンベリリウム、スチール、ステンレス鋼合金、およびそれらの組合せを含む。幾つかの実施形態において、１又は複数の上記材料は、例えば図７および図８に示される電極用インサートに形成される。

図７は、本発明の開示における１又は複数の方法に使用されることのできる幾つかの電極対を示す。図７Ａは、従来のＲＷＭＡ（抵抗溶接機製造業者協会）クラス１およびクラス２の銅合金電極を示しており、この典型的な電気伝導率は約８０％ＩＡＣＳを超える。図７Ｂ乃至図７Ｄは、本発明の方法の１又は複数の実施形態で使用される電極の他の実施形態を示す。図７Ｂ〜図７Ｄの電極は、シート（例えば異種材のシート１および２）の熱平衡を変化させるインサート電極を含む。図７に示される様々な実施形態には、材料の幾つかの例示的構成が示されており、アルミニウムは符号１、スチールは符号２、下側の従来合金電極は符号３、上側の従来合金電極は符号４、下部インサート電極は符号５および６、上部インサート電極は符号７および８で示されており、インサート材料は、符号８（上部インサート材）及び符号６（下部インサート材）で示されている。

様々な実施形態において、インサート電極は、材料とゲージの組合せを調整するために、アルミニウム、スチール、または両方の材料（すなわちシート材／部材）に当接して配置される。さらなる変形例として、図７Ｄに示される状態で２つの異なるインサート材料を有することも可能である。一実施形態において、インサート８はタングステン−銅であり、インサート６はモリブデンである。上述した実施形態において、タングステン銅（５３％ＩＡＣＳ）インサートはアルミニウム部材に当接して配置され、モリブデン（３０％ＩＡＣＳ）インサートはスチール部材に当接して配置される。本質的に例示として示すものであるが、この実施例は、どちらかのインサートが別々に使用される場合とは異なる熱平衡を有する。このような設計の融通性は、電極の摩耗およびアルミニウムシートの付着を軽減するために有用である。図７は、アールが形成された電極を示しており、フルフェース型インサート（ディスク）を有する。なお、他の形状も適用可能である。

図８は、図７に示されるろう付け電極構造以外に用いられることのできる様々なインサート構造を示している。経時的に変化するジョイント温度及び分布の影響を理解するために、様々なインサートの材料および形状がモデル化されている。

図９は、フルフェース型インサート（図９Ａ）とドーム型電極インサート（図９Ｂ）の異なる変化例／実施形態の２つの実施例のコンピュータシミュレーションを示している。コンピュータシミュレーションは、溶接シミュレーション中の溶接インサートを示している。

さらに、様々なアルミニウムおよびスチールのゲージ組合せについて、基準電極（インサート無し、標準の銅クロム電極）と、本発明の開示におけるインサート（例えば上シートのみ、下シートのみ、両方のシート）とを評価した。図１０はスチールとアルミニウムの積層比が０．５の場合の温度グラフを示す。図１０を参照すると、３つのインサート例は、従来のＣｕＣｒまたはＣｕＣｒＺｒ電極と比較して、溶接ジョイントのピーク温度および全体温度の両方が上昇した。この積層状態では、インサート電極を用いた３つの例（上インサート、下インサート、両方のインサート）は全て、従来の電極（インサート無し）よりも高いピーク温度を示した。図１０に示されるように、溶接温度全体を上昇させた最大の要因は、下部インサートであり、より具体的には、溶接温度の上昇はスチール部材と接触する電極による。

本発明のインサート電極の効果を示す他の実施例を図１１に示す。この実施例では、アルミニウムシートの厚さはスチール部材の４倍であり、スチール／アルミ厚さ比は０．２５である。このシミュレーションの傾向は図１０に示されている。この積層状態では、アルミニウムシートのゲージはスチールシートよりかなり大きかったので、スチール側のインサート電極の温度線は、インサート電極がアルミニウムシートに直接載置されている場合より高かった。溶接シミュレーションおよび温度対時間のグラフに関する上記実施例を参照すると、本発明の開示における１又は複数の実施例に基づいて使用したインサート電極は溶接ゾーンの温度を変化させることを示しており、溶接ゾーンには溶接部全体に金属間化合物が分散していることが確認された。

図１０、１１、１８、１９、および２０のシミュレーションでは、全てのシミュレーションが、上側にアルミニウムシートを置き、下側にスチールシートを配置して行われた。図を参照すると、インサート電極はスチールシートに当接しているときに最大の効果を発揮したことを示している。図１０および１１では、下側にインサートを配置した場合、上側のみにインサートを配置した場合と比べて、アルミニウムシートのピーク温度の上昇に効果的であることを示している。さらに、下側インサートのみだけでも、両側にインサートを有する場合と同様である。

幾つかの実施形態において、インサート電極は、アルミニウムシートだけに当接しているときに有効である。特定の機構または理論に拘束されるものでないが、アルミニウムにおけるピーク温度の効果は、スチールシートの厚さに依存すると考えられる。スチールが比較的薄い（例えば０．５ｍｍ）とき、上インサート電極は、図１０に示されるように、インサート無し（または標準銅電極）の場合と比較して、全体温度を上昇させることはなかった。スチールの厚さが大きくなると（０．７５ｍｍスチールシートの図１１）、上インサートはあまり効果的でなくなる。特定の機構または理論に拘束されるものでないが、アルミニウムシートよりスチールシートの方が熱伝導率に対する影響が大きいので、効果が小さくなると考えられる。

図１８には、アルミニウムのスチールに対する厚み比が６：１の場合が示されている。最も良好な結果が得られたシミュレーションは、両方にインサート電極が使用されたときと、下側にのみ電極インサートが使用されたときの２つのシミュレーションであった。他の２つ（上側インサートとインサート無し）についても同様の方法でシミュレーションを行なったが、両方ともピーク温度は約７５０℃であり、時間が長くなるにつれて温度低下が認められた。特定の機構または理論に拘束されるものではないが、アルミニウムの厚さが大きくなると、溶接ゾーンにて溶接達成のための適当な熱を得るために、下部には、少なくとも１つの電極インサートが必要である（または上部と下部の両方に電極インサートを使用することもできる）。

図１９を参照すると、アルミニウムのスチールに対する厚み比が１：２の場合が示されている。特定のメカニズムまたは理論に拘束されるものではないが、スチールは電気伝導率および熱伝導率がアルミニウムよりも大きいので、４電極の使用例は夫々のピーク温度が１０００℃を超え、全てが良好な性能を示した。このように、図１９に示されるように、スチールがアルミニウムより厚い場合は、従来の電極（例えば銅電極）を使用するのに何の問題も無い。

図２０を参照すると、アルミニウムのスチールに対する厚み比が１：１の場合が示されている。図示のように、インサートを使用しない場合、ピーク温度は１０００℃より低い。少なくとも１つの電極インサート（上部または下部）が用いられた場合、あるいは両方の電極インサートが用いられた場合、ピーク温度は１０００℃を超えた（すなわち約１０５０℃から１２５０℃近傍温度）。特定の機構または理論に拘束されるものでないが、スチールとアルミニウムが薄く、かつ比率が小さい（すなわちシートの厚さが近いか同一である）場合、図示された３つのインサートの各々において、スチールの電気伝導率が、溶接ゾーンのピーク温度を上昇させることができると考えられる。図２０は、特定の積層組合せに対して上インサートが有用であることを示している。

コンピュータモデリングの結果として、インサート電極（図１２に示す）を、図７に示す形状（本体直径１６ｍｍ、インサート厚さ６ｍｍ）に基づいて製造した。一連の溶接実験を行なったところ、アルミニウムとスチールの様々なゲージ組合せにおいて、完全な溶接ボタンが生成された。その溶接実験における溶接部（剥離試験後）の一例の写真を図１３に示す。これらの溶接条件で形成された溶接部は、直径が９ｍｍを超え、十字引張強度は１ｋＮより大きく、電極溶込みは最少であった。ラップ剪断引張結果を図１４に示す。この図におけるインサート電極は、アルミニウムとスチールとの様々な積層構造の上部および下部の両方に使用されたものである。ジョイントの強度は、２ｍｍのアルミニウムシートに溶接されたスチールのゲージによって異なった。全体として、溶接ジョイントのラップ剪断強度は、溶接されたアルミニウムシートゲージについてＡＷＳ Ｄ１７．２に規定された最小引張強度に適合するものであった。図１５乃至図１７は、図１４に示した幾つかの組合せに対するラップ剪断試験片の写真を示す。これらの写真は、全ての組合せについて、溶接界面破壊ゾーンが直径８ｍｍを超えることを示している。

本発明の様々な実施形態を詳細に説明したが、当業者であれば、これらの実施形態の変形例および適応例をなし得ることは明らかであろう。しかしながら、そのような変形例および適応例は本発明の精神および範囲内であることは理解されるべきである。

Claims (18)

1. 第１材料からなる少なくとも１つの第１シートを、第２材料からなる少なくとも１つの第２シートと重ね合わせる重ね合せステップであって、前記第１材料がアルミニウム合金であり、前記第２材料がアルミニウム合金よりも電気伝導率が小さい材料であって、チタン金属、チタン合金、マグネシウム金属、マグネシウム合金、スチール合金及びこれらの組合せからなる群から選択され、前記第１シートの厚さが前記第２シートの厚さの少なくとも１．５倍である、重ね合せステップと、
   一対の電極を前記第１シートおよび前記第２シートの対向面に接触させて溶接ゾーンを画定する接触ステップであって、前記電極の一方が前記第２シートに接触する電極インサートを含み、該電極インサートの電気伝導率が約６０％ＩＡＣＳ以下である、接触ステップと、
   前記電極を用いて、前記溶接ゾーンにて前記第１シートを前記第２シートに溶接し、少なくとも１つの抵抗スポット溶接部(ＲＳＷ)を形成して、前記第１シートを前記第２シートに接合する溶接ステップと、を含む方法。
2. 前記ＲＳＷの十字引張強度は、ＪＩＳ Ｚ３１３７に準拠して測定したとき、少なくとも約２．６７ｋＮである、請求項１の方法。
3. 前記アルミニウム合金は、ＡＡ系１ｘｘｘ、ＡＡ系２ｘｘｘ、ＡＡ系３ｘｘｘ、ＡＡ系５ｘｘｘ、ＡＡ系６ｘｘｘ、ＡＡ系７ｘｘｘ、及びそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１の方法。
4. 前記第１シートは、モノリシックアルミニウム合金、複層アルミニウム合金、被覆アルミニウム合金、めっきアルミニウム合金、およびそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１の方法。
5. 前記第１シートは５ｍｍ以下である、請求項１の方法。
6. 前記第２シートに対する前記第１シートの厚さ比は６：１以下である、請求項１の方法。
7. 方法は、自動車構造、ボディ構造、自動車ボディ構造、閉鎖パネル又はそれらの組合せのうちの少なくとも１つの製造に適用される、請求項１の方法。
8. 前記ＲＳＷの十字引張強度は、ＪＩＳ Ｚ３１３７に準拠して測定したときに、少なくとも約０．９ｋＮである、請求項１の方法。
9. 前記ＲＳＷの十字引張強度は、ＪＩＳ Ｚ３１３７に準拠して測定したときに、少なくとも約４．４５ｋＮである、請求項１の方法。
10. 前記ＲＳＷの溶接ボタンプルアウト範囲は、ＪＩＳ Ｚ３１４０に準拠して測定したときに、規定ゲージの平方根の少なくとも約３倍である、請求項１の方法。
11. 前記第１シートおよび前記第２シートの少なくとも１つのシートはその一部分に沿って潤滑剤を含んでいる、請求項１の方法。
12. 前記潤滑剤は、乾性皮膜潤滑剤、水系潤滑剤、石油系潤滑剤、およびそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１１の方法。
13. 前記第２材料の熱伝導率および／または電気伝導率は前記第１材料より少なくとも１０％小さい、請求項１の方法。
14. 前記接触ステップは、溶接の前に、前記溶接ゾーンで前記第１シートおよび前記第２シートに少なくとも約２ｋＮの力を加えるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記溶接ステップは、前記溶接ゾーンに約４５ｋＡ以下の電流を約５００ミリ秒以下の溶接時間、印加するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記電極の他方は第１シートに接触する電極インサートを含み、該電極インサートの電気伝導率が約６０％ＩＡＣＳ以下である、請求項１の方法。
17. 前記第２シートに接触する電極インサートは、電気伝導率が約３０％ＩＡＣＳ以下である、請求項１の方法。
18. 前記第２シートに接触する電極インサートは、電気伝導率が約３０％ＩＡＣＳ以下である、請求項１６の方法。