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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023183135
(43)【公開日】2023-12-27
(54)【発明の名称】コーティング方法及びコーティング装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/342 20140101AFI20231220BHJP
B23K 26/067 20060101ALI20231220BHJP
【ＦＩ】
B23K26/342
B23K26/067
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022096596
(22)【出願日】2022-06-15
(71)【出願人】
【識別番号】390001801
【氏名又は名称】大阪富士工業株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】504176911
【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学
(74)【代理人】
【識別番号】100141852
【弁理士】
【氏名又は名称】吉本 力
(72)【発明者】
【氏名】辰巳 佳宏
(72)【発明者】
【氏名】林 良彦
(72)【発明者】
【氏名】池田 圭一郎
(72)【発明者】
【氏名】安積 一幸
(72)【発明者】
【氏名】塚本 雅裕
(72)【発明者】
【氏名】阿部 信行
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 雄二
(72)【発明者】
【氏名】水谷 正海
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168BA32
4E168DA39
4E168DA40
4E168EA05
4E168EA06
4E168FB03
(57)【要約】
【課題】湾曲面を有する対象物の表面に対して、耐久性が高く、薄くて均一な膜厚のコーティングを低コストで実現できるコーティング方法及びコーティング装置を提供する。
【解決手段】レーザー分岐機構２１０が、光源２００から出力されるレーザー光２０１を複数のレーザービーム１０１に分岐させる。溶材噴射機構３００が、溶材１０２を噴射する。複数のレーザービーム１０１を対象物１の表面１１に向けて照射しつつ、複数のレーザービーム１０１が対象物１の表面１１に到達するまでの光路に溶材噴射機構３００から溶材１０２を噴射して溶融させ、対象物１の表面１１に固着させることにより、湾曲面を含む対象物１の表面１１をレーザークラッディングによりコーティングする。レーザー分岐機構２１０は、複数のレーザービーム１０１が湾曲面の形状に対応する強度を有するようにレーザー光２０１を分岐させる。
【選択図】 図２
【解決手段】レーザー分岐機構２１０が、光源２００から出力されるレーザー光２０１を複数のレーザービーム１０１に分岐させる。溶材噴射機構３００が、溶材１０２を噴射する。複数のレーザービーム１０１を対象物１の表面１１に向けて照射しつつ、複数のレーザービーム１０１が対象物１の表面１１に到達するまでの光路に溶材噴射機構３００から溶材１０２を噴射して溶融させ、対象物１の表面１１に固着させることにより、湾曲面を含む対象物１の表面１１をレーザークラッディングによりコーティングする。レーザー分岐機構２１０は、複数のレーザービーム１０１が湾曲面の形状に対応する強度を有するようにレーザー光２０１を分岐させる。
【選択図】 図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
湾曲面を有する対象物の表面をコーティングするためのコーティング方法であって、
光源からレーザー光を出力するレーザー出力工程と、
前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させるレーザー分岐工程と、
前記複数のレーザービームを前記対象物の表面に向けて照射しつつ、当該複数のレーザービームが前記対象物の表面に到達するまでの光路に溶材を噴射して溶融させ、前記対象物の表面に固着させることにより、前記湾曲面を含む前記対象物の表面をレーザークラッディングによりコーティングするコーティング工程とを含み、
前記レーザー分岐工程では、前記複数のレーザービームが前記湾曲面の形状に対応する強度を有するように前記レーザー光を分岐させる、コーティング方法。
光源からレーザー光を出力するレーザー出力工程と、
前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させるレーザー分岐工程と、
前記複数のレーザービームを前記対象物の表面に向けて照射しつつ、当該複数のレーザービームが前記対象物の表面に到達するまでの光路に溶材を噴射して溶融させ、前記対象物の表面に固着させることにより、前記湾曲面を含む前記対象物の表面をレーザークラッディングによりコーティングするコーティング工程とを含み、
前記レーザー分岐工程では、前記複数のレーザービームが前記湾曲面の形状に対応する強度を有するように前記レーザー光を分岐させる、コーティング方法。
【請求項2】
前記レーザー分岐工程では、回折光学素子により、前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させる、請求項１に記載のコーティング方法。
【請求項3】
前記湾曲面の形状に対応する前記回折光学素子を選択し、前記光源から出力されるレーザー光の光路に配置する素子配置工程をさらに含み、
前記レーザー分岐工程では、前記素子配置工程により配置された前記回折光学素子により、前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させる、請求項２に記載のコーティング方法。
前記レーザー分岐工程では、前記素子配置工程により配置された前記回折光学素子により、前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させる、請求項２に記載のコーティング方法。
【請求項4】
前記コーティング工程では、前記湾曲面の形状に対応する角度で前記溶材を噴射する、請求項１に記載のコーティング方法。
【請求項5】
湾曲面を有する対象物の表面をコーティングするためのコーティング装置であって、
レーザー光を出力する光源と、
前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させるレーザー分岐機構と、
溶材を噴射する溶材噴射機構とを備え、
前記複数のレーザービームを前記対象物の表面に向けて照射しつつ、当該複数のレーザービームが前記対象物の表面に到達するまでの光路に前記溶材噴射機構から溶材を噴射して溶融させ、前記対象物の表面に固着させることにより、前記湾曲面を含む前記対象物の表面をレーザークラッディングによりコーティングするものであり、
前記レーザー分岐機構は、前記複数のレーザービームが前記湾曲面の形状に対応する強度を有するように前記レーザー光を分岐させる、コーティング装置。
レーザー光を出力する光源と、
前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させるレーザー分岐機構と、
溶材を噴射する溶材噴射機構とを備え、
前記複数のレーザービームを前記対象物の表面に向けて照射しつつ、当該複数のレーザービームが前記対象物の表面に到達するまでの光路に前記溶材噴射機構から溶材を噴射して溶融させ、前記対象物の表面に固着させることにより、前記湾曲面を含む前記対象物の表面をレーザークラッディングによりコーティングするものであり、
前記レーザー分岐機構は、前記複数のレーザービームが前記湾曲面の形状に対応する強度を有するように前記レーザー光を分岐させる、コーティング装置。
【請求項6】
前記レーザー分岐機構は、回折光学素子を含む、請求項５に記載のコーティング装置。
【請求項7】
前記溶材噴射機構は、前記湾曲面の形状に対応する角度で前記溶材を噴射する、請求項５に記載のコーティング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、対象物の表面をコーティングするためのコーティング方法及びコーティング装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
例えばボイラー管などの対象物の表面をコーティングする方法として、溶射を用いた方法が知られている。溶射を用いた方法では、成膜速度が速く、単位時間当たりの成膜面積が広いため、低コストでコーティングを行うことができる。また、対象物の表面に形成される膜の厚さを薄くすることができ、膜の厚さを調整することも可能である。しかしながら、溶射により形成される膜の寿命は、一般的に１～２年程度であり、耐久性が低い。
【0003】
別のコーティング方法として、肉盛溶接を用いた方法も考えられる（例えば、下記特許文献１参照）。肉盛溶接を用いた方法では、耐久性が高い膜を形成することはできるものの、成膜速度が遅く、膜の厚さを薄くすることが困難である。対象物がボイラー管である場合には、コーティングの膜厚が大きくなると、ボイラー管の厚みが増し、熱伝達が悪くなるといった問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第５５２９４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
対象物の表面に湾曲面が含まれるような場合には、均一な膜厚でコーティングを行うことが困難である。すなわち、湾曲面では、光源からの距離が不均一であるため、湾曲面上の温度分布も不均一になりやすく、その結果、湾曲面上に形成される膜の厚さも不均一になりやすい。例えば対象物がボイラー管のような断面円形状の場合には、水平に延びるボイラー管の外周面に対して上方から成膜すると、ボイラーの外周面の中央部（光源に最も近い部分）の温度が高くなり、外周面上（湾曲面上）の温度分布が不均一になる。
【0006】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、湾曲面を有する対象物の表面に対して、耐久性が高く、薄くて均一な膜厚のコーティングを低コストで実現できるコーティング方法及びコーティング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
（１）本発明に係るコーティング方法は、湾曲面を有する対象物の表面をコーティングするためのコーティング方法であって、レーザー出力工程と、レーザー分岐工程と、コーティング工程とを含む。前記レーザー出力工程では、光源からレーザー光を出力する。前記レーザー分岐工程では、前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させる。前記コーティング工程では、前記複数のレーザービームを前記対象物の表面に向けて照射しつつ、当該複数のレーザービームが前記対象物の表面に到達するまでの光路に溶材を噴射して溶融させ、前記対象物の表面に固着させることにより、前記湾曲面を含む前記対象物の表面をレーザークラッディングによりコーティングする。前記レーザー分岐工程では、前記複数のレーザービームが前記湾曲面の形状に対応する強度を有するように前記レーザー光を分岐させる。
【0008】
このような構成によれば、光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させて、湾曲面を有する対象物の表面に照射するときに、複数のレーザービームが湾曲面の形状に対応する強度を有するようにレーザー光が分岐される。これにより、湾曲面に対して均一に熱を伝えることが可能となるため、均一な膜厚でコーティングすることができる。
【0009】
また、レーザークラッディングにより対象物の表面をコーティングするため、耐久性が高い。さらに、複数のレーザービームが対象物の表面に到達するまでの光路に溶材を噴射して溶融させ、対象物の表面に固着させるため、溶融池を形成することなく薄い膜厚で成膜することができる。また、対象物への入熱を少なくすることができ、その結果、成膜速度を速くすることができる。したがって、耐久性が高く、薄くて均一な膜厚のコーティングを低コストで実現できる。
【0010】
（２）前記レーザー分岐工程では、回折光学素子により、前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させてもよい。
【0011】
このような構成によれば、回折光学素子を用いた簡単な構成で、光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させて、湾曲面を有する対象物の表面に照射することができる。また、複数のレーザービームが湾曲面の形状に対応する強度を有するように回折光学素子を設計すれば、複数のレーザービームを適切な強度で対象物の表面に照射することができる。
【0012】
（３）前記コーティング方法は、素子配置工程をさらに含んでいてもよい。前記素子配置工程では、前記湾曲面の形状に対応する前記回折光学素子を選択し、前記光源から出力されるレーザー光の光路に配置してもよい。前記レーザー分岐工程では、前記素子配置工程により配置された前記回折光学素子により、前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させてもよい。
【0013】
このような構成によれば、湾曲面の形状に対応する回折光学素子を選択し、光源から出力されるレーザー光の光路に配置することにより、複数のレーザービームを適切な強度で対象物の表面に照射することができる。
【0014】
（４）前記コーティング工程では、前記湾曲面の形状に対応する角度で前記溶材を噴射してもよい。
【0015】
このような構成によれば、湾曲面に対して、その形状に対応する適切な角度で溶材を照射することができるため、より均一な膜厚でコーティングすることができる。
【0016】
（５）本発明に係るコーティング装置は、湾曲面を有する対象物の表面をコーティングするためのコーティング装置であって、光源と、レーザー分岐機構と、溶材噴射機構とを備える。前記光源は、レーザー光を出力する。前記レーザー分岐機構は、前記光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させる。前記溶材噴射機構は、溶材を噴射する。前記コーティング装置は、前記複数のレーザービームを前記対象物の表面に向けて照射しつつ、当該複数のレーザービームが前記対象物の表面に到達するまでの光路に前記溶材噴射機構から溶材を噴射して溶融させ、前記対象物の表面に固着させることにより、前記湾曲面を含む前記対象物の表面をレーザークラッディングによりコーティングする。前記レーザー分岐機構は、前記複数のレーザービームが前記湾曲面の形状に対応する強度を有するように前記レーザー光を分岐させる。
【0017】
このような構成によれば、光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させて、湾曲面を有する対象物の表面に照射するときに、複数のレーザービームが湾曲面の形状に対応する強度を有するようにレーザー光が分岐される。これにより、湾曲面に対して均一に熱を伝えることが可能となるため、均一な膜厚でコーティングすることができる。
【0018】
また、レーザークラッディングにより対象物の表面をコーティングするため、耐久性が高い。さらに、複数のレーザービームが対象物の表面に到達するまでの光路に溶材を噴射して溶融させ、対象物の表面に固着させるため、溶融池を形成することなく薄い膜厚で成膜することができる。また、対象物への入熱を少なくすることができ、その結果、成膜速度を速くすることができる。したがって、耐久性が高く、薄くて均一な膜厚のコーティングを低コストで実現できる。
【0019】
（６）前記レーザー分岐機構は、回折光学素子を含んでいてもよい。
【0020】
このような構成によれば、回折光学素子を用いた簡単な構成で、光源から出力されるレーザー光を複数のレーザービームに分岐させて、湾曲面を有する対象物の表面に照射することができる。また、複数のレーザービームが湾曲面の形状に対応する強度を有するように回折光学素子を設計すれば、複数のレーザービームを適切な強度で対象物の表面に照射することができる。
【0021】
（７）前記溶材噴射機構は、前記湾曲面の形状に対応する角度で前記溶材を噴射してもよい。
【0022】
このような構成によれば、湾曲面に対して、その形状に対応する適切な角度で溶材を照射することができるため、より均一な膜厚でコーティングすることができる。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、湾曲面を有する対象物の表面に対して、耐久性が高く、薄くて均一な膜厚のコーティングを低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の一実施形態に係るコーティング装置のノズル近傍の構成例を示した概略図である。
【図2】コーティング装置の全体構成について説明するための模式図である。
【図3】コーティング装置を走査方向に沿って見た概略図である。
【図4A】各レーザービームの強度について説明するための図である。
【図4B】各レーザービームの強度について説明するための図である。
【図5】溶材の噴射方向について説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
１．コーティング装置の構成
図１は、本発明の一実施形態に係るコーティング装置のノズル１００近傍の構成例を示した概略図である。このコーティング装置では、レーザークラッディングを用いて、対象物１の表面１１に対するコーティングが行われる。
図１は、本発明の一実施形態に係るコーティング装置のノズル１００近傍の構成例を示した概略図である。このコーティング装置では、レーザークラッディングを用いて、対象物１の表面１１に対するコーティングが行われる。
【0026】
レーザークラッディングには、熱源としてレーザービーム１０１が用いられる。ノズル１００から連続的に出射されるレーザービーム１０１は、対象物１の表面１１に照射される。対象物１の表面１１におけるレーザービーム１０１の照射位置１０４には、例えば２０ｍｍ×１ｍｍ程度の矩形の照射領域が形成される。ただし、照射領域は、矩形に限らず、円形又は楕円形などの他の形状であってもよい。レーザービーム１０１は、平行光であってもよいし、照射位置１０４に向かって集光されてもよい。
【0027】
ノズル１００からは、対象物１に向けて溶材１０２及びシールドガス１０３を連続的に噴射しつつ、レーザービーム１０１が出射される。溶材１０２は、例えばインコネルを含む粉末状の材料である。溶材１０２の粉末は、粒径が２０～４０μｍ、より好ましくは３０μｍ程度である。なお、溶材１０２は、インコネルのみからなるものであってもよいし、他の材料を含むものであってもよい。また、溶材１０２は、インコネル以外の材料により構成されるものであってもよい。
【0028】
本実施形態では、ノズル１００から噴射される溶材１０２が、照射位置１０４よりも手前（ノズル１００側）でレーザービーム１０１中に入射する。すなわち、飛行中のレーザービーム１０１に対して溶材１０２が噴射される。これにより、レーザービーム１０１を対象物１の表面１１に向けて照射しつつ、レーザービーム１０１が対象物１の表面１１に到達するまでの光路に溶材１０２を噴射して溶融させ、対象物１の表面１１に付着した後に自然冷却させることにより、対象物１の表面１１に溶材１０２を固着させることができる。
【0029】
シールドガス１０３としては、例えばアルゴンガス又はヘリウムガスなどの不活性ガスが用いられる。ノズル１００から噴射される溶材１０２は、シールドガス１０３中に入射されることにより、飛行中の酸化を抑制することができる。ただし、シールドガス１０３は省略することも可能である。
【0030】
ノズル１００は、対象物１の表面１１に対して平行な所定の走査方向に沿って移動される。したがって、対象物１の表面１１上でレーザービーム１０１を走査しながら、レーザービーム１０１中に溶材１０２を噴射して溶融させ、対象物１の表面１１上に連続的に肉盛層２を形成することにより、対象物１の表面１１をコーティングすることができる（コーティング工程）。ただし、ノズル１００を移動させるのではなく、対象物１を移動させることにより、レーザービーム１０１を対象物１の表面１１上で走査してもよい。
【0031】
レーザービーム１０１の走査速度は、１．０ｍ２／ｈ以上、より好ましくは１．２ｍ２／ｈ以上である。また、対象物１の表面１１上に形成される肉盛層２の膜厚は、０．３～０．８ｍｍ、より好ましくは０．５ｍｍ程度である。
【0032】
本実施形態では、レーザービーム１０１を挟んで走査方向の両側から、レーザービーム１０１中に溶材１０２が入射する。すなわち、溶材１０２は複数の方向（例えば２方向）からレーザービーム１０１中に入射するようになっている。各方向からレーザービーム１０１中に入射する溶材１０２は、レーザービーム１０１中の交点１０５において交差する。このように、レーザービーム１０１を挟んで走査方向の両側から溶材１０２を入射させることにより、成膜効率を向上させることができる。
【0033】
図２は、コーティング装置の全体構成について説明するための模式図である。図１では、１つのレーザービーム１０１についてのコーティング方法を詳細に説明したが、本実施形態では、複数のレーザービーム１０１が対象物１の表面１１に向けて照射されるようになっている。そのために、コーティング装置には、光源２００及びレーザー分岐機構２１０が備えられている。
【0034】
光源２００は、レーザー装置を含む構成であり、レーザー装置において生成したレーザー光２０１を出力する（レーザー出力工程）。レーザー装置としては、半導体レーザー、ファイバーレーザー又はディスクレーザーなどを用いることができる。光源２００から出力されるレーザー光２０１は、レーザー分岐機構２１０に入射する。
【0035】
レーザー分岐機構２１０には、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）２１１が含まれる。レーザー分岐機構２１０に入射する光源２００からのレーザー光２０１は、回折光学素子２１１により複数のレーザービーム１０１に分岐される（レーザー分岐工程）。回折光学素子２１１により分岐された複数のレーザービーム１０１は、対象物１の表面１１に対して、複数行×複数列のマトリクス状に照射される。
【0036】
回折光学素子２１１により分岐される各レーザービーム１０１の照射位置１０４における矩形の照射領域は、それぞれ同一形状である。ただし、各レーザービーム１０１の照射位置１０４における照射領域の形状が、それぞれ異なる形状となるように回折光学素子２１１を設計してもよい。また、各レーザービーム１０１の強度は、回折光学素子２１１の設計により任意に調整することができる。
【0037】
各レーザービーム１０１中には、溶材噴射機構３００から溶材１０２が噴射される。すなわち、溶材噴射機構３００は、各レーザービーム１０１に対して、個別に溶材１０２を噴射することができるように構成されている。各レーザービーム１０１に対する溶材１０２の入射角度は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。本実施形態では、溶材噴射機構３００により、各レーザービーム１０１を挟んで走査方向の両側から、各レーザービーム１０１中に溶材１０２が入射する。
【0038】
これにより、本実施形態では、複数のレーザービーム１０１を対象物１の表面１１に向けて照射しつつ、各レーザービーム１０１が対象物１の表面１１に到達するまでの光路に溶材１０２を噴射して溶融させ、対象物１の表面１１の複数の照射位置１０４に同時に固着させることができる。
【0039】
２．湾曲面に対するコーティング
図３は、コーティング装置を走査方向に沿って見た概略図である。図３に示すように、例えば対象物１がボイラーパネルに用いられるボイラー管などの断面円形状の部材である場合には、対象物１の表面１１が湾曲面（円弧面）１１１を有している。
図３は、コーティング装置を走査方向に沿って見た概略図である。図３に示すように、例えば対象物１がボイラーパネルに用いられるボイラー管などの断面円形状の部材である場合には、対象物１の表面１１が湾曲面（円弧面）１１１を有している。
【0040】
湾曲面１１１に照射される各レーザービーム１０１の照射位置１０４までの光路長は、走査方向に対して直交する幅方向において不均一となるため、湾曲面１１１上の温度分布も不均一になりやすい。そのため、対象物１の表面１１に湾曲面１１１が含まれるような場合には、均一な膜厚でコーティングを行うことが困難であるが、本実施形態では、均一な膜厚でコーティングを行うことができるようにレーザー分岐機構２１０（回折光学素子２１１）が設計されている。
【0041】
具体的には、湾曲面１１１上の照射位置１０４までの距離が長いレーザービーム１０１ほど強度が高くなるように、レーザー分岐機構２１０でレーザー光２０１を分岐させる。図３の例のように湾曲面１１１が円弧状である場合には、湾曲面１１１の中央部に照射されるレーザービーム１０１の強度が最も低く、この中央部に対して幅方向両側（周方向両側）に向かうにつれてレーザービーム１０１の強度が徐々に高くなるように、レーザー分岐機構２１０（回折光学素子２１１）が設計されている。
【0042】
このように、複数のレーザービーム１０１が湾曲面１１１の形状に対応する強度を有するように、レーザー分岐機構２１０でレーザー光２０１を分岐させることにより、湾曲面１１１に対して均一に熱を伝えることができる。ただし、「湾曲面１１１の形状に対応する強度」とは、例えば、照射位置１０４までの各レーザービーム１０１の光路長が長いほど、各レーザービーム１０１の強度（パワー密度（Ｗ／ｃｍ２））が高いことを意味しており、各レーザービーム１０１の強度の比が、各レーザービーム１０１の照射位置１０４までの光路長の比と完全に一致している必要はない。なお、各レーザービーム１０１の強度は、１×１０４Ｗ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
【0043】
図３に示すように、回折光学素子２１１は、対象物１の表面１１（上面）における幅方向全体にわたって各レーザービーム１０１が照射されるように、レーザー光２０１を広範囲に分岐させる構成であることが好ましい。この場合、各レーザービーム１０１を走査方向に１回走査させるだけで、対象物１の表面１１（上面）を一度にコーティングすることができる。ただし、１回の走査で対象物１の表面１１（上面）をコーティングするような構成に限らず、複数回の走査によりコーティングするような構成であってもよい。
【0044】
図４Ａ及び図４Ｂは、各レーザービーム１０１の強度について説明するための図である。図４Ａは、対象物１であるボイラー管が比較的大径の場合を示しており、図４Ｂは、対象物１であるボイラー管が比較的小径の場合を示している。図４Ａ及び図４Ｂでは、各レーザービーム１０１に対応する照射領域が矩形で示されており、各照射領域に施されたハッチングは、各レーザービーム１０１の強度が高いほど濃いハッチングで示されている。
【0045】
図４Ａのように、対象物１であるボイラー管が比較的大径の場合には、対象物１の表面１１における湾曲面１１１の曲率が比較的小さくなる。したがって、湾曲面１１１の幅方向に沿った各レーザービーム１０１の強度の変化は、比較的緩やかである。また、１回の走査で対象物１の表面１１（上面）を一度にコーティングしようとした場合には、複数のレーザービーム１０１の照射範囲Ｒの幅が比較的大きくなる。
【0046】
一方、図４Ｂのように、対象物１であるボイラー管が比較的小径の場合には、対象物１の表面１１における湾曲面１１１の曲率が比較的大きくなる。したがって、湾曲面１１１の幅方向に沿った各レーザービーム１０１の強度の変化は、比較的急峻になる。また、１回の走査で対象物１の表面１１（上面）を一度にコーティングしようとした場合でも、複数のレーザービーム１０１の照射範囲Ｒの幅は比較的小さい。
【0047】
このように、対象物１の表面１１における湾曲面１１１の形状に応じて、複数のレーザービーム１０１の照射範囲Ｒ、及び、照射範囲Ｒ内における各レーザービーム１０１の強度の変化が異なるため、最適な回折光学素子２１１の設計も湾曲面１１１の形状に応じて異なる。そこで、異なる設計の回折光学素子２１１を予め複数用意しておき、湾曲面１１１の形状に対応する回折光学素子２１１を選択して、光源２００から出力されるレーザー光２０１の光路に配置することにより（素子配置工程）、最適な回折光学素子２１１を用いてレーザー光２０１を分岐させることができる。
【0048】
図５は、溶材１０２の噴射方向について説明するための概略図である。各レーザービーム１０１は、互いに平行に延びるように対象物１の表面１１に照射されるが、各レーザービーム１０１中に噴射される溶材１０２の角度は、図５に示すように互いに平行でなくてもよい。
【0049】
コーティング工程では、溶材噴射機構３００から、対象物１の表面１１における湾曲面１１１の形状に対応する角度で溶材１０２が噴射されることが好ましい。「湾曲面１１１の形状に対応する角度」とは、例えば、照射位置１０４に対する各レーザービーム１０１の入射角度が大きいほど、各レーザービーム１０１に対する溶材１０２の噴射角度θが大きいことを意味しており、各レーザービーム１０１の入射角度の比が、各レーザービーム１０１に対する溶材１０２の噴射角度の比と完全に一致している必要はない。
【0050】
なお、照射位置１０４に対する各レーザービーム１０１の入射角度とは、照射位置１０４における湾曲面１１１に垂直な方向に対する各レーザービーム１０１の傾斜角度を意味している。すなわち、図５の例のように湾曲面１１１が円弧状である場合には、湾曲面１１１の中央部に照射されるレーザービーム１０１の入射角度が最も小さく、この中央部に対して幅方向両側（周方向両側）に向かうにつれてレーザービーム１０１の入射角度が徐々に大きくなる。したがって、湾曲面１１１の中央部に照射されるレーザービーム１０１に対する溶材１０２の噴射角度θが最も小さく、この中央部に対して幅方向両側（周方向両側）に向かうにつれてレーザービーム１０１に対する溶材１０２の噴射角度θが徐々に大きくなる。
【0051】
３．作用効果
本実施形態では、図２及び図３に例示されるように、光源２００から出力されるレーザー光２０１を複数のレーザービーム１０１に分岐させて、湾曲面１１１を有する対象物１の表面１１に照射するときに、複数のレーザービーム１０１が湾曲面１１１の形状に対応する強度を有するようにレーザー光２０１が分岐される。これにより、湾曲面１１１に対して均一に熱を伝えることが可能となるため、均一な膜厚でコーティングすることができる。
本実施形態では、図２及び図３に例示されるように、光源２００から出力されるレーザー光２０１を複数のレーザービーム１０１に分岐させて、湾曲面１１１を有する対象物１の表面１１に照射するときに、複数のレーザービーム１０１が湾曲面１１１の形状に対応する強度を有するようにレーザー光２０１が分岐される。これにより、湾曲面１１１に対して均一に熱を伝えることが可能となるため、均一な膜厚でコーティングすることができる。
【0052】
また、図１に例示されるように、レーザークラッディングにより対象物１の表面１１に肉盛層２を形成してコーティングするため、耐久性が高い。さらに、複数のレーザービーム１０１が対象物１の表面１１に到達するまでの光路に溶材１０２を噴射して溶融させ、対象物１の表面１１に固着させるため、溶融池を形成することなく薄い膜厚（例えば１ｍｍ以下）で成膜することができる。また、対象物１への入熱を少なくすることができ、その結果、成膜速度を速くすることができる。したがって、耐久性が高く、薄くて均一な膜厚のコーティングを低コストで実現できる。
【0053】
特に、本実施形態では、回折光学素子２１１を用いた簡単な構成で、光源２００から出力されるレーザー光２０１を複数のレーザービーム１０１に分岐させて、湾曲面１１１を有する対象物１の表面１１に照射することができる。また、複数のレーザービーム１０１が湾曲面１１１の形状に対応する強度を有するように回折光学素子２１１を設計すれば、複数のレーザービーム１０１を適切な強度で対象物１の表面１１に照射することができる。
【0054】
また、本実施形態では、図４Ａ及び図４Ｂに例示されるように、湾曲面１１１の形状に対応する回折光学素子２１１を選択し、光源２００から出力されるレーザー光２０１の光路に配置することにより、複数のレーザービーム１０１を適切な強度で対象物１の表面１１に照射することができる。
【0055】
さらに、本実施形態では、図５に例示されるように、湾曲面１１１の形状に対応する角度で溶材１０２を噴射することにより、湾曲面１１１に対して、その形状に対応する適切な角度で溶材１０２を照射することができるため、より均一な膜厚でコーティングすることができる。
【0056】
４．変形例
以上の実施形態では、レーザービーム１０１を挟んで走査方向の両側から、レーザービーム１０１中に溶材１０２を入射させる構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、溶材１０２が１方向からレーザービーム１０１中に入射するような構成であってもよいし、溶材１０２が３方向以上からレーザービーム１０１中に入射するような構成であってもよい。
以上の実施形態では、レーザービーム１０１を挟んで走査方向の両側から、レーザービーム１０１中に溶材１０２を入射させる構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、溶材１０２が１方向からレーザービーム１０１中に入射するような構成であってもよいし、溶材１０２が３方向以上からレーザービーム１０１中に入射するような構成であってもよい。
【0057】
レーザー分岐機構２１０は、回折光学素子２１１を含む構成に限られるものではなく、回折光学素子２１１以外の部材を用いてレーザー光２０１を複数のレーザービーム１０１に分岐させるような構成であってもよい。
【符号の説明】
【0058】
１ 対象物
２ 肉盛層
１００ ノズル
１０１ レーザービーム
１０２ 溶材
１０３ シールドガス
１０４ 照射位置
１０５ 交点
１１１ 湾曲面
２００ 光源
２０１ レーザー光
２１０ レーザー分岐機構
２１１ 回折光学素子
３００ 溶材噴射機構
２ 肉盛層
１００ ノズル
１０１ レーザービーム
１０２ 溶材
１０３ シールドガス
１０４ 照射位置
１０５ 交点
１１１ 湾曲面
２００ 光源
２０１ レーザー光
２１０ レーザー分岐機構
２１１ 回折光学素子
３００ 溶材噴射機構
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】