ベリリウム窓のろう付け構造体
【課題】ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止でき、製品として、信頼性に優れると共に耐リーク性を確保することができるベリリウム窓のろう付け構造体を提供することにある。
【解決手段】ベリリウム系金属板１と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体２とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体である。異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質を用いた。ベリリウム系金属板１と異材金属枠体２の間に応力緩和材１０を挟み込んで、ろう付けした。
【解決手段】ベリリウム系金属板１と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体２とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体である。異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質を用いた。ベリリウム系金属板１と異材金属枠体２の間に応力緩和材１０を挟み込んで、ろう付けした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ベリリウム窓のろう付け構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ベリリウム窓は、各種のＸ線発生装置や放射光発生装置に用いられる。従来、ベリリウム系金属（板材や箔）と異材金属（例えばフランジ）を接合してベリリウム窓を製作する場合、エポキシ系の樹脂で接着して耐リーク性を確保するようにしたものがある。また、ベリリウム系金属板等と、これと相違する異材金属との接合において、真空ろう付け用のろう材（例えば銀ろう、Ｎｉろう）を用いて、ベリリウム系金属と異材金属等にて構成するものがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、樹脂による接着ではベリリウム窓の使用温度が１００℃以下に制限され、高温に曝される環境下での使用が困難とされている。また、Ｎｉろう材や銀ろう材を用いて、ベリリウム系金属と異材金属とをろう付けするものでは、開口部面積の大きいベリリウム窓はろう付けで製作されておらず、開口部面積が小さい構造物（例えば開口部がφ５ｍｍ程度）に限られていた。このため、大型放射光ビームライン装置等の窓として、開口部面積の大きいベリリウム窓が望まれている。しかしベリリウム系金属と異材金属の膨張係数差が大きいため、ろう付けでベリリウム窓の開口部面積が大きい構造物を製作しようとした場合、ろう付け後の残留応力によってベリリウム系金属やろう付け部にクラックが生じ、耐リーク性が確保できない等の問題がある。また、仮にろう付け後の耐リーク性が確保できたとしても、１５０℃以上の高温域での使用や熱サイクルが負荷される環境下で使用した場合、ベリリウム窓の耐気密性の信頼性と寿命等に問題がある。
【０００４】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止でき、製品として、信頼性に優れると共に耐リーク性を確保することができるベリリウム窓のろう付け構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属板１と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体２とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質を用いたことを特徴としている。
【０００６】
請求項２のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属板１と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体２とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも小さく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも大きくなる材質を用いたことを特徴としている。
【０００７】
請求項３のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属板１と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体２とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、室温からろう付け温度領域で異材金属の膨張係数がベリリウム系金属の膨張係数に近い材質を用いたことを特徴としている。
【０００８】
請求項４のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属板１と異材金属枠体２の間に応力緩和材１０を挟み込んで、ろう付けしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項５のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記応力緩和材１０は、軟質金属の純銅等の金属材料、あるいは膨張係数がベリリウム系金属と異材金属の中間に位置するような金属材料にて構成したことを特徴としている。
【００１０】
請求項６のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記ベリリウム系金属板１と異材金属枠体２とを応力緩和構造を介して接合したことを特徴としている。
【００１１】
請求項７のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記ベリリウム系金属としては、Ｂｅ元素が少なくても重量％で８０％以上含有する材料を使用したことを特徴としている。
【００１２】
請求項８のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記異材金属としては、Ｆｅ又はＮｉ元素のいずれか一方を少なくとも重量％で３０％以上含有する材料を使用したことを特徴としている。
【００１３】
請求項９のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記異材金属としては、Ｆｅ及びＮｉの元素の合計を重量％で７０％以上含有する材料を使用したことを特徴としている。
【００１４】
請求項１０のベリリウム窓のろう付け構造体は、開口部面積が１５０ｍｍ２以上あることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質であるので、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に、ろう材凝固温度近傍では圧縮応力が負荷され、室温では逆に引張り応力が負荷される。このため、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されて、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止でき、この製品（ろう付け構造体）は、信頼性に優れると共に耐リーク性を確保することができる。
【００１６】
請求項２のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも小さく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも大きい材質であるので、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に、室温では圧縮応力が負荷され、ろう材凝固温度近傍では逆に引張り応力が負荷される。このため、ベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されて、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止でき、この製品（ろう付け構造体）は、信頼性に優れると共に耐リーク性を確保することができる。
【００１７】
請求項３のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、室温からろう付け温度領域で異材金属の膨張係数がベリリウム系金属の膨張係数に近い材質であるので、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止できる。従って、この製品（ろう付け構造体）は、信頼性に優れると共に耐リーク性を確保することができる。
【００１８】
請求項４のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、ベリリウム系金属板と異材金属枠体の間に応力緩和材を挟み込んで、ろう付けしたので、接合後の応力緩和を効果的に発揮する。
【００１９】
請求項５のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、上記応力緩和材は、軟質金属の純銅等の金属材料、あるいは膨張係数がベリリウム系金属と異材金属の中間に位置するような金属材料にて構成したので、接合後の応力緩和の信頼性が向上する。
【００２０】
請求項６のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、上記ベリリウム系金属板と異材金属枠体とを応力緩和構造を介して接合したので、接合後の応力緩和を一層効果的に発揮する。
【００２１】
請求項７のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、上記ベリリウム系金属としては、Ｂｅ元素が少なくても重量％で８０％以上含有する材料を使用したので、ろう材（例えば銀ろう）との界面に強固なベリリウムを含む反応層を形成することができ、ろう付け性、耐リーク性に優れる。
【００２２】
請求項８のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、異材金属としては、Ｆｅ、Ｎｉ元素のいずれか一方を少なくとも重量％で３０％以上含有する材料を使用したので、ベリリウム系金属と異材金属の界面で、ろう材中の銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）を含むＢｅ含有量の多いＢｅ―Ａｇ―Ｆｅ―Ｃｕ固溶体あるいは、Ｂｅ―Ａｇ―Ｆｅ―Ｃｕ―Ｎｉ固溶体が層状または粒状に形成され、ベリリウム系金属と異材金属がこれらの反応物を介して強固にろう付けされる。
【００２３】
請求項９のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、Ｆｅ、Ｎｉの元素の合計を重量％で７０％以上含有する材料を使用したので、ベリリウム系金属と異材金属がこれらの反応物を介して強固にろう付けされる。
【００２４】
請求項１０のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、開口部面積が１５０ｍｍ２以上であるが、このような大きな開口部を有するベリリウム窓であっても、高い気密性と信頼性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。この発明のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属（例えば、純度が重量％で９９．５％）と、これと異なる異材金属とを真空ろう付け用のろう付け（例えば銀ろう、Ｎｉろう）を用いて接合したものである。そして、この実施の形態においては、図１に示すように、板状又は箔状のベリリウム系金属板１と、このベリリウム系金属板１を受ける異材金属枠体２とを備えたベリリウム窓のろう付け構造体である。ここで、ベリリウム窓とは、各種のＸ線発生装置や放射光発生装置に用いられる窓である。
【００２６】
上記異材金属枠体２に使用する異材金属としては、膨張係数が、室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質を選択することになる。そして、図２には、ベリリウムと、他のステンレス鋼（オーステナイト系ステンレス鋼）（ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３０４）と、炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）等について、温度と膨張係数との関係を示している。すなわち、ＳＵＳ３１０Ｓは、膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、ろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質である。具体的には、室温（２０℃）で膨張係数αが１１×１０−６（／℃）であり、ろう付け温度近傍（５３０℃付近）で膨張係数αが１９×１０−６（／℃）である。また、炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）は膨張係数が室温で、ＳＵＳ３０４はろう付け温度近傍でベリリウム系金属と同等となる材質である。このため、この実施の形態においては、異材金属を、膨張係数が室温で、ベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質であるＳＵＳ３１０Ｓ等を使用することになる。
【００２７】
そして、異材金属枠体２は全体として矩形状の枠からなり、その上面３に開口部４に沿って切欠部５が形成され、この切欠部５にろう材を介してベリリウム系金属板１が嵌合された状態で、ベリリウム系金属板１と異材金属枠体２とがろう付けされる。この場合、ろう付けに使用するろう材は、例えば、市販のＡｇ―Ｃｕ系のろう材で銅（Ｃｕ）の含有量が２８重量％でろう材の厚さが０．１ｍｍのものを使用することができる。この銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系のろう材は、ベリリウム系金属やステンレス鋼との反応性が高く、ろう材自身も変形しやすく応力緩和効果が期待できるものである。そして、ろう付けの際には、真空度が１０−１〜１０−３Torr程度の真空炉中で８００℃程度に加熱冷却することにより、ろう材が溶融凝固されてろう付けが可能となる。なお、図１において、６はろう付け部を示し、ベリリウム系金属板１の下面外周部８に対応する第１部６ａと、ベリリウム系金属板１の外端部９に対応する第２部６ｂとからなる。また、このベリリウム窓の開口部面積（ベリリウム系金属板面積）を例えば、１５０ｍｍ２以上とする。
【００２８】
この場合、上記ろう付け構造体では、異材金属枠体２に使用する異材金属は、膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、ろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質とするので、ろう材凝固温度近傍では、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に圧縮応力が負荷され、ろう材が完全凝固する室温では逆に引張り応力が負荷される。このため、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されることとなり、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止でき、製品の信頼性（製作の歩留まり）および耐リーク性に優れることになる。また、異材金属をＳＵＳ３１０Ｓを選択（使用）することにより、２００℃以上でも使用可能な接合体（ベリリウム系金属と異材金属との接合体）であるベリリウム窓を提供することが可能である。
【００２９】
また、異材金属枠体２に使用する異材金属としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎi）のいずれか一方を少なくとも重量％で３０％以上含有（例えばＦｅ基合金）する構造材料を使用したり、これらの元素の合計を重量％で７０％以上含有（例えばＳＵＳ３１０Ｓ）する構造材料を使用したりすることも可能であり、このような異材金属を使用することにより、ベリリウム系金属と異材金属の界面で、ろう材中の銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）を含むＢｅ含有量の多いＢｅ―Ａｇ―Ｆｅ―Ｃｕ固溶体あるいは、Ｂｅ―Ａｇ―Ｆｅ―Ｃｕ―Ｎｉ固溶体が層状または粒状に形成され、ベリリウム系金属と異材金属がこれらの反応物を介して強固にろう付けされる。
【００３０】
ところで、実用のベリリウム窓として要求される異材側の金属としては、ステンレス鋼が一般的であり、真空ろう付けで気密性の高い接合体（ベリリウム系金属と異材金属との接合体）を得るためには、ベリリウム系金属と異材金属との接合部の形状が重要である。この際、ベリリウム窓の開口部面積が比較的に小さい(１５０ｍｍ２未満)場合、図１に示すように、ベリリウム外周部の側面部（外端部９）のろう付けでも可能であるが、特に開口部面積が１５０ｍｍ２以上の大きい構造物では異材金属との膨張係数差による残留応力を考慮しかつ、ろう付け後のフィレット（ろう付け部）が確実に形成できる接合部形状が望ましい。
【００３１】
このため、図３に示すように、ベリリウム系金属板１と、異材金属枠体２の間に、応力緩和材１０を挟み込むようにするのが好ましい。この応力緩和材１０としては、軟質金属で変形しやすい金属材料（例えば純Ｃｕ等の金属や銅合金等）、あるいは膨張係数がベリリウム（室温、α＝１１×１０−６（／℃））と異材金属（室温、α＝１６×１０−６（／℃））の中間に位置するような金属材料を使用する。この場合、応力緩和材１０は、異材金属枠体２の開口部４に沿って配置され、ベリリウム系金属板１の下面外周縁部８と応力緩和材１０の上端面１０ａとの間、及び、応力緩和材１０の下端面１０ｂと異材金属枠体２の上面３との間にそれぞれろう付け部１２、１３が形成される。
【００３２】
さらに、図４に示すように、この構造体（構造物）において、ベリリウム系金属板１が応力緩和材１０を介して異材金属枠体２との間にすき間１４が形成される構造にするのが好ましい。すなわち、異材金属枠体２の内面１５に、第１部１６ａと第２部１６ｂとからなる切欠部１６を設け、第１部１６ａにろう材を介して応力緩和材１０を嵌合させた状態でろう付けして、第２部１６ｂでもってこの応力緩和材１０の外側に上記すき間１４を構成することになる。この場合、応力緩和材１０の上端面１０ａとベリリウム系金属板１との間にろう付け部１７が形成され、応力緩和材１０と異材金属枠体２との間にろう付け部１８が形成される。また、ろう付け部１８は、応力緩和材１０の下端面１０ｂに対応する第１部１８ａと、応力緩和材１０の外面１０ｃに対応する第２部１８ｂとからなる。そして、ベリリウム系金属板１の外端部９と、応力緩和材１０の外面１０ｃとが略同一鉛直面上に配置されている。
【００３３】
また、図５では、ベリリウム系金属板１の外端部９を応力緩和材１０の外面１０ｃよりも内方へ後退させたものであり、図６では、ベリリウム系金属板１の外端部９を応力緩和材１０の外面１０ｃよりも外方へ突出させて、外端部９がすき間１４に突入させている。このため、図４〜図６においては、ベリリウム系金属板１と応力緩和材１０とで異材金属枠体２に対してブリッジ（橋梁）構造をなす。このように、すき間１４を設ければ、応力緩和材１０がベリリウム系金属板１の幅または長さ方向に自由に変形でき応力緩和により効果的である。
【００３４】
ところで、図３〜図６のものはいわゆるブリッジ構造として、ベリリウム系金属と異材金属とを応力緩和構造を介して接合したことになる。この際、図３の構造もブリッジ構造であるが、図４〜図６の構造と比較すると、この図３の構造のものでは、応力緩和材１０が切欠部１６の第１部１６ａに嵌合していないので、応力緩和材１０と異材金属枠体２との接合部の面積を大きくする必要があり、結果的に応力緩和材１０の変形効果が低下することになるため、開口部面積の大きい構造物の場合は望ましくない。また、図４〜図６はいずれも応力緩和効果のある構造であるが、ベリリウム系金属板１と応力緩和材１０のろう付け部に確実にフィレットが形成でき、かつ、フィレット部（ろう付け部）が残留応力に耐え得る形状としては図６が最も望ましい。すなわち、図４の構造では、ベリリウム系金属板１が応力緩和材１０に対してずれるおそれがあるので、フィレットの形成が片側（幅方向のどちらか端部側、又は長さ方向のどちらか端部側）のみになる可能性があり、図５の構造ではベリリウム系金属板１と応力緩和材１０の接合面積が小さくなり、残留応力に耐えられない可能性がある。
【００３５】
また、上記応力緩和材１０としては、板（箔）状やメッシュ（金網）状等から構成することができるが、応力緩和効果があり、ろう付け後の気密性が保たれれば形状の制約はない。さらに、応力緩和材（中間層）１０が板（箔）状またはメッシュの場合、厚さ（高さ）は０．０５〜５０ｍｍ程度のものが望ましい。厚さが０．０５ｍｍ未満では、応力緩和効果が少なく、事実上の効果はないからであり、また、応力緩和材１０が５０ｍｍを越えた場合は、ろう付け後に緩和材１０自体の剛性が無くなり、過度に変形するため構造物として問題があるからである。
【００３６】
ところで、上記実施の形態では、異材金属として、膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、ろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質であるが、逆に、異材金属として、膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも小さく、ろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも大きい材質であってもよい。この場合、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に、室温では圧縮応力が負荷され、ろう材凝固温度近傍では逆に引張り応力が負荷される。このため、ベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されて、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されることとなり、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止できる。さらには、室温からろう付け温度領域で異材金属の膨張係数がベリリウム系金属の膨張係数に近い材質であってもよい。このような異材金属を使用しても、残留応力が低減されることとなる。
【００３７】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、応力緩和材１０の形状は板（箔）状、メッシュ（金網）状等があるが、事実上の応力緩和効果があり、ろう付け後の耐リーク性が確保され、かつ、ベリリウム窓の使用温度下で応力緩和材１０が、長期にわたって使用可能な２％耐力を満足する板（箔）厚あるいは板（箔）幅があれば、種々の形状とすることができる。また、ベリリウム系金属としては、ベリリウムの純度が重量で９９．８％以上ある高純度金属であっても、不純物等を含む金属（例えば重量９２％程度）であっても、それ以外の合金（純度が重量で９２％以下８０％以上）等であってもよい。さらに、ベリリウム系金属として、上記実施の形態では、矩形平板体であったが、この場合、長辺側及び／又は短辺側で例えば１００ｍｍ以上としたり、正方形としたり、台形状としたり、あるいは円形（例えば、半径２５ｍｍ以上）または楕円形状としたりしてもよい。
【実施例】
【００３８】
以下、この発明のベリリウム窓のろう付け構造体について、実施例と比較例をあげて具体的に説明する。実施例１として、上記図６に示す応力緩和材１０を使用した構造とし、また、異材金属としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）を使用し、図７に示すように、ベリリウム系金属からなるベリリウム系金属板１は、幅Ｗ１を５８ｍｍとし、長さＬ１を４２４ｍｍとし、厚さを１．０ｍｍとし、異材金属枠体２は、幅Ｗ２を１４５ｍｍとし、長さＬ２を５８０ｍｍとし、厚さを３０ｍｍとした。さらに、応力緩和材１０はＣｕ（１０２０）を使用し、この応力緩和材１０は、断面における幅Ｗ３を４ｍｍとし、厚さ（高さ）Ｈを１０ｍｍとした枠形状とした。また、比較例１と比較例３と比較例５と実施例２と比較例６と比較例７としては、上記図１に示すように応力緩和材１０を使用しない構造とし、比較例１は、異材金属枠体２及びベリリウム系金属板１の大きさを実施例１と同様とし、比較例２と比較例３と比較例６とは、異材金属としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を使用し、比較例２と比較例３とは、異材金属枠体２及びベリリウム系金属板１の大きさを実施例１と同様とした。さらに、比較例４と比較例５と比較例７とは、異材金属として炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）を使用し、比較例４と比較例５とは、異材金属枠体２及びベリリウム系金属板１の大きさを実施例１と同様とした。また、実施例２と比較例６と比較例７とは、ベリリウム系金属板１の大きさを、幅Ｗ１を４０ｍｍとし、長さＬ１を１２０ｍｍとし、厚さを０．１ｍｍとし、異材金属枠体２は、幅Ｗ２を４５ｍｍとし、長さＬ２を１７０ｍｍとし、厚さを３０ｍｍとした。この際、ろう付けに使用するろう材は市販のＡｇ―Ｃｕ系のろう材で銅（Ｃｕ）の含有量が２８重量％でろう材の厚さが０．１ｍｍのものを使用した。
【００３９】
表１に接合体（ベリリウム系金属と異材金属との接合体）の異材金属の材質および応力緩和材１０がろう付けに及ぼす効果についてまとめて示す。ろう付け部の形状は、応力緩和材１０を使用しない場合は図１に示すものとし、応力緩和材１０を使用する場合は図６となるように設定した。ろう付けは、５×１０-1 Torr程度の真空中において、Ａｒガスをキャリアとして流し、さらにろう付け部の垂直方向から荷重を２．５×１０-3ｋｇ／ｍｍ２程度負荷する。また、ろう付け温度としては、ろう材の固相線以下の温度で予熱した後、ろう付けの液相線以上の温度で行った。昇温速度および冷却速度は２０℃/ｍｉｎとした。この際、Ｈｅリーク試験を行いその結果についても表１に記載している。ここで、Ｈｅリーク試験とは、ワーク（ベリリウム窓）内を検出器（ヘリウムリークディテクター）で真空引き（１気圧：約０．１ＭＰａ）し、ワークろう付け部にＨｅガスをふりかけ、漏れ部のＨｅガスリーク量を検出する試験である。
【００４０】
【表１】
【００４１】
実施例２と比較例６と比較例７からわかるように、ベリリウム窓の開口部面積が比較的小さい場合、異材金属にＳＵＳ３１０Ｓを選択することで、図７に示すように、ベリリウム金属が破損することなく、ろう付けされている。さらに、実施例１等からわかるように、ベリリウム開口部の大きい構造物ではＳＵＳ３１０Ｓ材と応力緩和材１０を使用する効果が有効であり、他と比較しても高い気密性と信頼性が得られている。また、異材金属に炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）を使用したものについては、比較例５と比較例７等からわかるように、図８に示すようにベリリウム系金属板１に割れＣが生じた。さらに、実施例１と実施例２とが高い気密性を示している。
【００４２】
次に、ベリリウム系金属板１と異材金属の異材金属枠体２の接合体（ベリリウム窓）の高温特性について調べた。すなわち、上記表１に記載した実施例１と比較例１と比較例２と比較例４と実施例２で製作したベリリウム系金属板１と異材金属の異材金属枠体２の接合体を真空炉（１０-1Torr程度）中にて２５０℃で加熱し、２４時間放置した後、室温でＨｅリーク試験を行った。そしてその結果を表２に示す。また、昇温および冷却速度は２０℃/ｍｉｎで行った。なお、表２において、実施例１Ａは上記実施例１で製作したものと同一構成のものであり、比較例１Ａは上記比較例１で製作したものと同一構成のものであり、比較例２Ａは上記比較例２で製作したものと同一構成のものであり、比較例３Ａは上記比較例４で製作したものと同一構成のものであり、実施例２Ａは上記実施例２で製作したものと同一構成のものである。また、表１とこの表２において、Ｂｅはベリリウム系金属板を示している。
【００４３】
【表２】
【００４４】
ベリリウム系金属板１の開口部面積が比較的小さい場合、実施例２Ａからわかるように、異材金属にＳＵＳ３１０Ｓを選択することで、２００℃以上の使用で、ベリリウム系金属板１が破損することなく、ろう付けされている。さらに、ベリリウム開口部の大きい構造物では、実施例１Ａと各比較例からわかるように、異材金属にＳＵＳ３１０Ｓ材を使用すると共に、応力緩和材１０を設けることが有効であり、高い気密性と信頼性が得られている。また、ベリリウム開口部が小さい場合、異材金属にＳＵＳ３１０Ｓ材を使用するのが、気密性に優れることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】温度と膨張係数との関係を示すグラフ図である。
【図３】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第２の実施形態を示す断面図である。
【図４】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第３の実施形態を示す断面図である。
【図５】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第４の実施形態を示す断面図である。
【図６】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第５の実施形態を示す断面図である。
【図７】実施例に使用したベリリウム窓の簡略図である。
【図８】比較例に使用したベリリウム窓の簡略図である。
【符号の説明】
【００４６】
１・・ベリリウム系金属板、２・・異材金属枠体、１０・・応力緩和材
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ベリリウム窓のろう付け構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ベリリウム窓は、各種のＸ線発生装置や放射光発生装置に用いられる。従来、ベリリウム系金属（板材や箔）と異材金属（例えばフランジ）を接合してベリリウム窓を製作する場合、エポキシ系の樹脂で接着して耐リーク性を確保するようにしたものがある。また、ベリリウム系金属板等と、これと相違する異材金属との接合において、真空ろう付け用のろう材（例えば銀ろう、Ｎｉろう）を用いて、ベリリウム系金属と異材金属等にて構成するものがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、樹脂による接着ではベリリウム窓の使用温度が１００℃以下に制限され、高温に曝される環境下での使用が困難とされている。また、Ｎｉろう材や銀ろう材を用いて、ベリリウム系金属と異材金属とをろう付けするものでは、開口部面積の大きいベリリウム窓はろう付けで製作されておらず、開口部面積が小さい構造物（例えば開口部がφ５ｍｍ程度）に限られていた。このため、大型放射光ビームライン装置等の窓として、開口部面積の大きいベリリウム窓が望まれている。しかしベリリウム系金属と異材金属の膨張係数差が大きいため、ろう付けでベリリウム窓の開口部面積が大きい構造物を製作しようとした場合、ろう付け後の残留応力によってベリリウム系金属やろう付け部にクラックが生じ、耐リーク性が確保できない等の問題がある。また、仮にろう付け後の耐リーク性が確保できたとしても、１５０℃以上の高温域での使用や熱サイクルが負荷される環境下で使用した場合、ベリリウム窓の耐気密性の信頼性と寿命等に問題がある。
【０００４】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止でき、製品として、信頼性に優れると共に耐リーク性を確保することができるベリリウム窓のろう付け構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属板１と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体２とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質を用いたことを特徴としている。
【０００６】
請求項２のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属板１と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体２とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも小さく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも大きくなる材質を用いたことを特徴としている。
【０００７】
請求項３のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属板１と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体２とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、室温からろう付け温度領域で異材金属の膨張係数がベリリウム系金属の膨張係数に近い材質を用いたことを特徴としている。
【０００８】
請求項４のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属板１と異材金属枠体２の間に応力緩和材１０を挟み込んで、ろう付けしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項５のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記応力緩和材１０は、軟質金属の純銅等の金属材料、あるいは膨張係数がベリリウム系金属と異材金属の中間に位置するような金属材料にて構成したことを特徴としている。
【００１０】
請求項６のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記ベリリウム系金属板１と異材金属枠体２とを応力緩和構造を介して接合したことを特徴としている。
【００１１】
請求項７のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記ベリリウム系金属としては、Ｂｅ元素が少なくても重量％で８０％以上含有する材料を使用したことを特徴としている。
【００１２】
請求項８のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記異材金属としては、Ｆｅ又はＮｉ元素のいずれか一方を少なくとも重量％で３０％以上含有する材料を使用したことを特徴としている。
【００１３】
請求項９のベリリウム窓のろう付け構造体は、上記異材金属としては、Ｆｅ及びＮｉの元素の合計を重量％で７０％以上含有する材料を使用したことを特徴としている。
【００１４】
請求項１０のベリリウム窓のろう付け構造体は、開口部面積が１５０ｍｍ２以上あることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質であるので、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に、ろう材凝固温度近傍では圧縮応力が負荷され、室温では逆に引張り応力が負荷される。このため、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されて、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止でき、この製品（ろう付け構造体）は、信頼性に優れると共に耐リーク性を確保することができる。
【００１６】
請求項２のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも小さく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも大きい材質であるので、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に、室温では圧縮応力が負荷され、ろう材凝固温度近傍では逆に引張り応力が負荷される。このため、ベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されて、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止でき、この製品（ろう付け構造体）は、信頼性に優れると共に耐リーク性を確保することができる。
【００１７】
請求項３のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、室温からろう付け温度領域で異材金属の膨張係数がベリリウム系金属の膨張係数に近い材質であるので、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止できる。従って、この製品（ろう付け構造体）は、信頼性に優れると共に耐リーク性を確保することができる。
【００１８】
請求項４のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、ベリリウム系金属板と異材金属枠体の間に応力緩和材を挟み込んで、ろう付けしたので、接合後の応力緩和を効果的に発揮する。
【００１９】
請求項５のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、上記応力緩和材は、軟質金属の純銅等の金属材料、あるいは膨張係数がベリリウム系金属と異材金属の中間に位置するような金属材料にて構成したので、接合後の応力緩和の信頼性が向上する。
【００２０】
請求項６のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、上記ベリリウム系金属板と異材金属枠体とを応力緩和構造を介して接合したので、接合後の応力緩和を一層効果的に発揮する。
【００２１】
請求項７のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、上記ベリリウム系金属としては、Ｂｅ元素が少なくても重量％で８０％以上含有する材料を使用したので、ろう材（例えば銀ろう）との界面に強固なベリリウムを含む反応層を形成することができ、ろう付け性、耐リーク性に優れる。
【００２２】
請求項８のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、異材金属としては、Ｆｅ、Ｎｉ元素のいずれか一方を少なくとも重量％で３０％以上含有する材料を使用したので、ベリリウム系金属と異材金属の界面で、ろう材中の銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）を含むＢｅ含有量の多いＢｅ―Ａｇ―Ｆｅ―Ｃｕ固溶体あるいは、Ｂｅ―Ａｇ―Ｆｅ―Ｃｕ―Ｎｉ固溶体が層状または粒状に形成され、ベリリウム系金属と異材金属がこれらの反応物を介して強固にろう付けされる。
【００２３】
請求項９のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、Ｆｅ、Ｎｉの元素の合計を重量％で７０％以上含有する材料を使用したので、ベリリウム系金属と異材金属がこれらの反応物を介して強固にろう付けされる。
【００２４】
請求項１０のベリリウム窓のろう付け構造体によれば、開口部面積が１５０ｍｍ２以上であるが、このような大きな開口部を有するベリリウム窓であっても、高い気密性と信頼性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。この発明のベリリウム窓のろう付け構造体は、ベリリウム系金属（例えば、純度が重量％で９９．５％）と、これと異なる異材金属とを真空ろう付け用のろう付け（例えば銀ろう、Ｎｉろう）を用いて接合したものである。そして、この実施の形態においては、図１に示すように、板状又は箔状のベリリウム系金属板１と、このベリリウム系金属板１を受ける異材金属枠体２とを備えたベリリウム窓のろう付け構造体である。ここで、ベリリウム窓とは、各種のＸ線発生装置や放射光発生装置に用いられる窓である。
【００２６】
上記異材金属枠体２に使用する異材金属としては、膨張係数が、室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質を選択することになる。そして、図２には、ベリリウムと、他のステンレス鋼（オーステナイト系ステンレス鋼）（ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３０４）と、炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）等について、温度と膨張係数との関係を示している。すなわち、ＳＵＳ３１０Ｓは、膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、ろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質である。具体的には、室温（２０℃）で膨張係数αが１１×１０−６（／℃）であり、ろう付け温度近傍（５３０℃付近）で膨張係数αが１９×１０−６（／℃）である。また、炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）は膨張係数が室温で、ＳＵＳ３０４はろう付け温度近傍でベリリウム系金属と同等となる材質である。このため、この実施の形態においては、異材金属を、膨張係数が室温で、ベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質であるＳＵＳ３１０Ｓ等を使用することになる。
【００２７】
そして、異材金属枠体２は全体として矩形状の枠からなり、その上面３に開口部４に沿って切欠部５が形成され、この切欠部５にろう材を介してベリリウム系金属板１が嵌合された状態で、ベリリウム系金属板１と異材金属枠体２とがろう付けされる。この場合、ろう付けに使用するろう材は、例えば、市販のＡｇ―Ｃｕ系のろう材で銅（Ｃｕ）の含有量が２８重量％でろう材の厚さが０．１ｍｍのものを使用することができる。この銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系のろう材は、ベリリウム系金属やステンレス鋼との反応性が高く、ろう材自身も変形しやすく応力緩和効果が期待できるものである。そして、ろう付けの際には、真空度が１０−１〜１０−３Torr程度の真空炉中で８００℃程度に加熱冷却することにより、ろう材が溶融凝固されてろう付けが可能となる。なお、図１において、６はろう付け部を示し、ベリリウム系金属板１の下面外周部８に対応する第１部６ａと、ベリリウム系金属板１の外端部９に対応する第２部６ｂとからなる。また、このベリリウム窓の開口部面積（ベリリウム系金属板面積）を例えば、１５０ｍｍ２以上とする。
【００２８】
この場合、上記ろう付け構造体では、異材金属枠体２に使用する異材金属は、膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、ろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質とするので、ろう材凝固温度近傍では、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に圧縮応力が負荷され、ろう材が完全凝固する室温では逆に引張り応力が負荷される。このため、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されることとなり、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止でき、製品の信頼性（製作の歩留まり）および耐リーク性に優れることになる。また、異材金属をＳＵＳ３１０Ｓを選択（使用）することにより、２００℃以上でも使用可能な接合体（ベリリウム系金属と異材金属との接合体）であるベリリウム窓を提供することが可能である。
【００２９】
また、異材金属枠体２に使用する異材金属としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎi）のいずれか一方を少なくとも重量％で３０％以上含有（例えばＦｅ基合金）する構造材料を使用したり、これらの元素の合計を重量％で７０％以上含有（例えばＳＵＳ３１０Ｓ）する構造材料を使用したりすることも可能であり、このような異材金属を使用することにより、ベリリウム系金属と異材金属の界面で、ろう材中の銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）を含むＢｅ含有量の多いＢｅ―Ａｇ―Ｆｅ―Ｃｕ固溶体あるいは、Ｂｅ―Ａｇ―Ｆｅ―Ｃｕ―Ｎｉ固溶体が層状または粒状に形成され、ベリリウム系金属と異材金属がこれらの反応物を介して強固にろう付けされる。
【００３０】
ところで、実用のベリリウム窓として要求される異材側の金属としては、ステンレス鋼が一般的であり、真空ろう付けで気密性の高い接合体（ベリリウム系金属と異材金属との接合体）を得るためには、ベリリウム系金属と異材金属との接合部の形状が重要である。この際、ベリリウム窓の開口部面積が比較的に小さい(１５０ｍｍ２未満)場合、図１に示すように、ベリリウム外周部の側面部（外端部９）のろう付けでも可能であるが、特に開口部面積が１５０ｍｍ２以上の大きい構造物では異材金属との膨張係数差による残留応力を考慮しかつ、ろう付け後のフィレット（ろう付け部）が確実に形成できる接合部形状が望ましい。
【００３１】
このため、図３に示すように、ベリリウム系金属板１と、異材金属枠体２の間に、応力緩和材１０を挟み込むようにするのが好ましい。この応力緩和材１０としては、軟質金属で変形しやすい金属材料（例えば純Ｃｕ等の金属や銅合金等）、あるいは膨張係数がベリリウム（室温、α＝１１×１０−６（／℃））と異材金属（室温、α＝１６×１０−６（／℃））の中間に位置するような金属材料を使用する。この場合、応力緩和材１０は、異材金属枠体２の開口部４に沿って配置され、ベリリウム系金属板１の下面外周縁部８と応力緩和材１０の上端面１０ａとの間、及び、応力緩和材１０の下端面１０ｂと異材金属枠体２の上面３との間にそれぞれろう付け部１２、１３が形成される。
【００３２】
さらに、図４に示すように、この構造体（構造物）において、ベリリウム系金属板１が応力緩和材１０を介して異材金属枠体２との間にすき間１４が形成される構造にするのが好ましい。すなわち、異材金属枠体２の内面１５に、第１部１６ａと第２部１６ｂとからなる切欠部１６を設け、第１部１６ａにろう材を介して応力緩和材１０を嵌合させた状態でろう付けして、第２部１６ｂでもってこの応力緩和材１０の外側に上記すき間１４を構成することになる。この場合、応力緩和材１０の上端面１０ａとベリリウム系金属板１との間にろう付け部１７が形成され、応力緩和材１０と異材金属枠体２との間にろう付け部１８が形成される。また、ろう付け部１８は、応力緩和材１０の下端面１０ｂに対応する第１部１８ａと、応力緩和材１０の外面１０ｃに対応する第２部１８ｂとからなる。そして、ベリリウム系金属板１の外端部９と、応力緩和材１０の外面１０ｃとが略同一鉛直面上に配置されている。
【００３３】
また、図５では、ベリリウム系金属板１の外端部９を応力緩和材１０の外面１０ｃよりも内方へ後退させたものであり、図６では、ベリリウム系金属板１の外端部９を応力緩和材１０の外面１０ｃよりも外方へ突出させて、外端部９がすき間１４に突入させている。このため、図４〜図６においては、ベリリウム系金属板１と応力緩和材１０とで異材金属枠体２に対してブリッジ（橋梁）構造をなす。このように、すき間１４を設ければ、応力緩和材１０がベリリウム系金属板１の幅または長さ方向に自由に変形でき応力緩和により効果的である。
【００３４】
ところで、図３〜図６のものはいわゆるブリッジ構造として、ベリリウム系金属と異材金属とを応力緩和構造を介して接合したことになる。この際、図３の構造もブリッジ構造であるが、図４〜図６の構造と比較すると、この図３の構造のものでは、応力緩和材１０が切欠部１６の第１部１６ａに嵌合していないので、応力緩和材１０と異材金属枠体２との接合部の面積を大きくする必要があり、結果的に応力緩和材１０の変形効果が低下することになるため、開口部面積の大きい構造物の場合は望ましくない。また、図４〜図６はいずれも応力緩和効果のある構造であるが、ベリリウム系金属板１と応力緩和材１０のろう付け部に確実にフィレットが形成でき、かつ、フィレット部（ろう付け部）が残留応力に耐え得る形状としては図６が最も望ましい。すなわち、図４の構造では、ベリリウム系金属板１が応力緩和材１０に対してずれるおそれがあるので、フィレットの形成が片側（幅方向のどちらか端部側、又は長さ方向のどちらか端部側）のみになる可能性があり、図５の構造ではベリリウム系金属板１と応力緩和材１０の接合面積が小さくなり、残留応力に耐えられない可能性がある。
【００３５】
また、上記応力緩和材１０としては、板（箔）状やメッシュ（金網）状等から構成することができるが、応力緩和効果があり、ろう付け後の気密性が保たれれば形状の制約はない。さらに、応力緩和材（中間層）１０が板（箔）状またはメッシュの場合、厚さ（高さ）は０．０５〜５０ｍｍ程度のものが望ましい。厚さが０．０５ｍｍ未満では、応力緩和効果が少なく、事実上の効果はないからであり、また、応力緩和材１０が５０ｍｍを越えた場合は、ろう付け後に緩和材１０自体の剛性が無くなり、過度に変形するため構造物として問題があるからである。
【００３６】
ところで、上記実施の形態では、異材金属として、膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、ろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質であるが、逆に、異材金属として、膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも小さく、ろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも大きい材質であってもよい。この場合、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に、室温では圧縮応力が負荷され、ろう材凝固温度近傍では逆に引張り応力が負荷される。このため、ベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されて、ろう付け部近傍のベリリウム系金属に負荷される応力が打ち消し合い残留応力が低減されることとなり、ろう付け後の残留応力に起因するクラックの発生を防止できる。さらには、室温からろう付け温度領域で異材金属の膨張係数がベリリウム系金属の膨張係数に近い材質であってもよい。このような異材金属を使用しても、残留応力が低減されることとなる。
【００３７】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、応力緩和材１０の形状は板（箔）状、メッシュ（金網）状等があるが、事実上の応力緩和効果があり、ろう付け後の耐リーク性が確保され、かつ、ベリリウム窓の使用温度下で応力緩和材１０が、長期にわたって使用可能な２％耐力を満足する板（箔）厚あるいは板（箔）幅があれば、種々の形状とすることができる。また、ベリリウム系金属としては、ベリリウムの純度が重量で９９．８％以上ある高純度金属であっても、不純物等を含む金属（例えば重量９２％程度）であっても、それ以外の合金（純度が重量で９２％以下８０％以上）等であってもよい。さらに、ベリリウム系金属として、上記実施の形態では、矩形平板体であったが、この場合、長辺側及び／又は短辺側で例えば１００ｍｍ以上としたり、正方形としたり、台形状としたり、あるいは円形（例えば、半径２５ｍｍ以上）または楕円形状としたりしてもよい。
【実施例】
【００３８】
以下、この発明のベリリウム窓のろう付け構造体について、実施例と比較例をあげて具体的に説明する。実施例１として、上記図６に示す応力緩和材１０を使用した構造とし、また、異材金属としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）を使用し、図７に示すように、ベリリウム系金属からなるベリリウム系金属板１は、幅Ｗ１を５８ｍｍとし、長さＬ１を４２４ｍｍとし、厚さを１．０ｍｍとし、異材金属枠体２は、幅Ｗ２を１４５ｍｍとし、長さＬ２を５８０ｍｍとし、厚さを３０ｍｍとした。さらに、応力緩和材１０はＣｕ（１０２０）を使用し、この応力緩和材１０は、断面における幅Ｗ３を４ｍｍとし、厚さ（高さ）Ｈを１０ｍｍとした枠形状とした。また、比較例１と比較例３と比較例５と実施例２と比較例６と比較例７としては、上記図１に示すように応力緩和材１０を使用しない構造とし、比較例１は、異材金属枠体２及びベリリウム系金属板１の大きさを実施例１と同様とし、比較例２と比較例３と比較例６とは、異材金属としてオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を使用し、比較例２と比較例３とは、異材金属枠体２及びベリリウム系金属板１の大きさを実施例１と同様とした。さらに、比較例４と比較例５と比較例７とは、異材金属として炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）を使用し、比較例４と比較例５とは、異材金属枠体２及びベリリウム系金属板１の大きさを実施例１と同様とした。また、実施例２と比較例６と比較例７とは、ベリリウム系金属板１の大きさを、幅Ｗ１を４０ｍｍとし、長さＬ１を１２０ｍｍとし、厚さを０．１ｍｍとし、異材金属枠体２は、幅Ｗ２を４５ｍｍとし、長さＬ２を１７０ｍｍとし、厚さを３０ｍｍとした。この際、ろう付けに使用するろう材は市販のＡｇ―Ｃｕ系のろう材で銅（Ｃｕ）の含有量が２８重量％でろう材の厚さが０．１ｍｍのものを使用した。
【００３９】
表１に接合体（ベリリウム系金属と異材金属との接合体）の異材金属の材質および応力緩和材１０がろう付けに及ぼす効果についてまとめて示す。ろう付け部の形状は、応力緩和材１０を使用しない場合は図１に示すものとし、応力緩和材１０を使用する場合は図６となるように設定した。ろう付けは、５×１０-1 Torr程度の真空中において、Ａｒガスをキャリアとして流し、さらにろう付け部の垂直方向から荷重を２．５×１０-3ｋｇ／ｍｍ２程度負荷する。また、ろう付け温度としては、ろう材の固相線以下の温度で予熱した後、ろう付けの液相線以上の温度で行った。昇温速度および冷却速度は２０℃/ｍｉｎとした。この際、Ｈｅリーク試験を行いその結果についても表１に記載している。ここで、Ｈｅリーク試験とは、ワーク（ベリリウム窓）内を検出器（ヘリウムリークディテクター）で真空引き（１気圧：約０．１ＭＰａ）し、ワークろう付け部にＨｅガスをふりかけ、漏れ部のＨｅガスリーク量を検出する試験である。
【００４０】
【表１】
【００４１】
実施例２と比較例６と比較例７からわかるように、ベリリウム窓の開口部面積が比較的小さい場合、異材金属にＳＵＳ３１０Ｓを選択することで、図７に示すように、ベリリウム金属が破損することなく、ろう付けされている。さらに、実施例１等からわかるように、ベリリウム開口部の大きい構造物ではＳＵＳ３１０Ｓ材と応力緩和材１０を使用する効果が有効であり、他と比較しても高い気密性と信頼性が得られている。また、異材金属に炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）を使用したものについては、比較例５と比較例７等からわかるように、図８に示すようにベリリウム系金属板１に割れＣが生じた。さらに、実施例１と実施例２とが高い気密性を示している。
【００４２】
次に、ベリリウム系金属板１と異材金属の異材金属枠体２の接合体（ベリリウム窓）の高温特性について調べた。すなわち、上記表１に記載した実施例１と比較例１と比較例２と比較例４と実施例２で製作したベリリウム系金属板１と異材金属の異材金属枠体２の接合体を真空炉（１０-1Torr程度）中にて２５０℃で加熱し、２４時間放置した後、室温でＨｅリーク試験を行った。そしてその結果を表２に示す。また、昇温および冷却速度は２０℃/ｍｉｎで行った。なお、表２において、実施例１Ａは上記実施例１で製作したものと同一構成のものであり、比較例１Ａは上記比較例１で製作したものと同一構成のものであり、比較例２Ａは上記比較例２で製作したものと同一構成のものであり、比較例３Ａは上記比較例４で製作したものと同一構成のものであり、実施例２Ａは上記実施例２で製作したものと同一構成のものである。また、表１とこの表２において、Ｂｅはベリリウム系金属板を示している。
【００４３】
【表２】
【００４４】
ベリリウム系金属板１の開口部面積が比較的小さい場合、実施例２Ａからわかるように、異材金属にＳＵＳ３１０Ｓを選択することで、２００℃以上の使用で、ベリリウム系金属板１が破損することなく、ろう付けされている。さらに、ベリリウム開口部の大きい構造物では、実施例１Ａと各比較例からわかるように、異材金属にＳＵＳ３１０Ｓ材を使用すると共に、応力緩和材１０を設けることが有効であり、高い気密性と信頼性が得られている。また、ベリリウム開口部が小さい場合、異材金属にＳＵＳ３１０Ｓ材を使用するのが、気密性に優れることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】温度と膨張係数との関係を示すグラフ図である。
【図３】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第２の実施形態を示す断面図である。
【図４】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第３の実施形態を示す断面図である。
【図５】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第４の実施形態を示す断面図である。
【図６】この発明のベリリウム窓のろう付け構造体の第５の実施形態を示す断面図である。
【図７】実施例に使用したベリリウム窓の簡略図である。
【図８】比較例に使用したベリリウム窓の簡略図である。
【符号の説明】
【００４６】
１・・ベリリウム系金属板、２・・異材金属枠体、１０・・応力緩和材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベリリウム系金属板（１）と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体（２）とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質を用いたことを特徴とするベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項２】
ベリリウム系金属板（１）と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体（２）とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも小さく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも大きくなる材質を用いたことを特徴とするベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項３】
ベリリウム系金属板（１）と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体（２）とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、室温からろう付け温度領域で異材金属の膨張係数がベリリウム系金属の膨張係数に近い材質を用いたことを特徴とするベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項４】
ベリリウム系金属板（１）と異材金属枠体（２）の間に応力緩和材（１０）を挟み込んで、ろう付けしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項５】
上記応力緩和材（１０）は、軟質金属の純銅等の金属材料、あるいは膨張係数がベリリウム系金属と異材金属の中間に位置するような金属材料にて構成したことを特徴とする請求項４のベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項６】
上記ベリリウム系金属板（１）と異材金属枠体（２）とを応力緩和構造を介して接合したことを特徴とする請求項1〜請求項３のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項７】
上記ベリリウム系金属としては、Ｂｅ元素が少なくても重量％で８０％以上含有する材料を使用したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項８】
上記異材金属としては、Ｆｅ又はＮｉ元素のいずれか一方を少なくとも重量％で３０％以上含有する材料を使用したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項９】
上記異材金属としては、Ｆｅ及びＮｉの元素の合計を重量％で７０％以上含有する材料を使用したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項１０】
ベリリウム窓の開口部面積が１５０ｍｍ２以上あることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項１】
ベリリウム系金属板（１）と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体（２）とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも大きく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも小さくなる材質を用いたことを特徴とするベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項２】
ベリリウム系金属板（１）と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体（２）とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、異材金属として膨張係数が室温でベリリウム系金属よりも小さく、かつろう付け温度近傍でベリリウム系金属よりも大きくなる材質を用いたことを特徴とするベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項３】
ベリリウム系金属板（１）と、ベリリウム系金属と異なる異材金属枠体（２）とを接合したベリリウム窓のろう付け構造体であって、室温からろう付け温度領域で異材金属の膨張係数がベリリウム系金属の膨張係数に近い材質を用いたことを特徴とするベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項４】
ベリリウム系金属板（１）と異材金属枠体（２）の間に応力緩和材（１０）を挟み込んで、ろう付けしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項５】
上記応力緩和材（１０）は、軟質金属の純銅等の金属材料、あるいは膨張係数がベリリウム系金属と異材金属の中間に位置するような金属材料にて構成したことを特徴とする請求項４のベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項６】
上記ベリリウム系金属板（１）と異材金属枠体（２）とを応力緩和構造を介して接合したことを特徴とする請求項1〜請求項３のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項７】
上記ベリリウム系金属としては、Ｂｅ元素が少なくても重量％で８０％以上含有する材料を使用したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項８】
上記異材金属としては、Ｆｅ又はＮｉ元素のいずれか一方を少なくとも重量％で３０％以上含有する材料を使用したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項９】
上記異材金属としては、Ｆｅ及びＮｉの元素の合計を重量％で７０％以上含有する材料を使用したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【請求項１０】
ベリリウム窓の開口部面積が１５０ｍｍ２以上あることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかのベリリウム窓のろう付け構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２６７１６（Ｐ２００６−２６７１６Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１１９７２（Ｐ２００４−２１１９７２）
【出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（５９１０５６５６９）ナイス株式会社 (10)
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２０日（２００４．７．２０）
【出願人】（５９１０５６５６９）ナイス株式会社 (10)
[ Back to top ]