溶接歪みが発生する原因とは？種類・対策・歪みを抑える方法を解説

溶接をすると、

「溶接前は寸法が合っていたのに、完成すると反っていた」

「フレームの直角がずれてしまった」

「薄い板が波打つように変形した」

といったことがあります。

これは溶接歪みと呼ばれる現象です。

溶接では一部分を高温まで加熱するため、どうしても材料に膨張と収縮が発生します。そのため、溶接歪みを完全になくすことは難しく、製品の形状や板厚に合わせて変形をできるだけ抑えることが重要です。

有限会社アラヤでも、架台・フレーム・タンク・ホッパーなどを製作する際は、仮付けや溶接順序、寸法確認を行いながら歪みに注意して施工しています。

この記事では、溶接歪みが発生する原因、代表的な種類、歪みを抑えるための考え方を実際の製作を交えて解説します。

溶接歪みが発生する原因

溶接歪みが発生する大きな理由は、溶接による局部的な加熱と、その後の不均一な収縮です。

溶接部はアークによって高温まで加熱されます。

その際、加熱された部分は膨張しようとしますが、周囲には温度の低い母材があるため、自由に膨張できるわけではありません。

その後、溶接部が冷えると今度は収縮します。

しかし、製品全体が均一に加熱・冷却されるわけではないため、場所によって収縮量に差が生まれます。

その結果、材料に残留する変形によって、

• 縮む
• 反る
• 曲がる
• 角度が変わる
• ねじれる

といった溶接歪みが発生します。

日本溶接協会でも、溶接変形は局部加熱による不均一な熱変形と、その結果として残る局部的な残留変形によって生じると解説されています。

溶接歪みにはどんな種類がある？

溶接歪みにはいくつかの種類があります。

大きく分けると、板の面内方向に生じる変形と、面外方向へ生じる変形があります。

縦収縮

溶接線と同じ方向へ材料が縮む変形です。

例えば長い部材を溶接した場合、冷却後に溶接線方向の寸法がわずかに短くなることがあります。

長尺フレームなどでは、わずかな収縮でも完成寸法へ影響するため注意が必要です。

横収縮

溶接線に対して直角方向へ材料が縮む変形です。

突合せ溶接などで発生し、部材同士の幅方向の寸法に影響する場合があります。

角変形

溶接部を境に、板同士の角度が変わる現象です。

特に片側から溶接した場合などでは、板厚方向で収縮量に差が生じ、溶接側へ引っ張られるように変形することがあります。

隅肉溶接やL字形状の製品でも注意する歪みの一つです。

曲がり・反り

長尺材やフレームでは、製品全体が弓のように曲がったり、板が反ったりすることがあります。

例えば架台を製作する場合、部材そのものは真っすぐでも、溶接後にフレーム全体がわずかに曲がることがあります。

そのため、溶接前だけではなく本溶接の途中や完成後にも寸法を確認することが重要です。

座屈変形

特に薄板では、溶接によって圧縮方向の力が残ることで、板が波打つように変形する場合があります。

薄板は剛性が低いため、角変形や座屈変形が問題になりやすい傾向があります。

ただし、歪みの大きさは板厚だけで決まるものではありません。

溶接入熱、継手形状、部材寸法、拘束状態などによっても変わります。日本溶接協会でも、薄板では座屈変形が特に問題になりやすいとされています。

ねじれ

溶接する位置や熱の入り方に偏りがあると、製品全体がねじれることがあります。

立体的なフレームや長尺物では、複数方向へ溶接するため、それぞれの収縮が組み合わさって複雑な変形になることもあります。

溶接歪みの大きさは何で変わる？

同じ材質・同じ板厚であっても、すべての製品が同じように歪むわけではありません。

溶接入熱

一つの場所へ大きな熱を入れるほど、加熱される範囲が広がり、収縮による変形も大きくなる場合があります。

そのため、必要な溶接を確保しながら、必要以上に熱を入れないことが重要です。

板厚

薄板は剛性が低いため、溶接熱によって反りや座屈などが発生しやすくなります。

一方で、厚板であれば歪みを気にしなくてよいわけではありません。

厚板でも溶接量が多かったり、継手位置が偏っていたりすると変形は発生します。

溶接量

必要以上に大きな脚長や長い溶接を行えば、その分だけ製品へ入る熱も増えます。

そのため、図面や要求仕様に合わせて必要な溶接量で施工することも歪み対策につながります。

継手の位置や形状

同じ量の溶接でも、製品の中心に対して片側だけに溶接が集中すると、収縮力も一方向へ偏りやすくなります。

架台やフレームでは、どこをどの順番で溶接するかによって完成後の形状が変わることがあります。

製品の拘束状態

治具やクランプで固定されている場合と、自由に動ける状態では変形の仕方も異なります。

ただし、強く固定すればすべて解決するわけではありません。

拘束によって変形を抑えられる一方で、溶接部には応力が発生するため、製品に合った固定方法を考える必要があります。

溶接歪みを抑える方法

溶接歪みを完全になくすことは難しいですが、施工方法を工夫することで変形を抑えられる場合があります。

仮付けをしてから本溶接する

製缶品では、いきなり本溶接するのではなく、まず部材を仮付けします。

その状態で、

• 全体寸法
• 直角
• 対角寸法
• 部材位置
• 高さ
• 平行

などを確認します。

問題がなければ本溶接へ進みます。

仮付けは単に部材を固定するだけではなく、本溶接前に完成形状を確認するための重要な工程です。

溶接順序を考える

一方向へ順番に長く溶接すると、収縮が一方向へ集中する場合があります。

そこで製品形状によっては、

• 左右の溶接位置を分散する
• 対称となる位置を順番に施工する
• 一か所だけを連続して溶接しない
• 製品全体の状態を確認しながら場所を変える

などの方法を取ります。

ただし、「必ず中央から外側へ」「必ず左右交互」など、一つの順序がすべての製品に適しているわけではありません。

製品形状や継手によって溶接順序を考えます。

日本溶接協会でも、溶接量・入熱・拘束方法・溶接順序などを工夫することが溶接変形対策として挙げられています。

必要以上に熱を入れない

溶接電流が高すぎたり、一か所へ長時間アークを当てたりすると、必要以上に広い範囲が加熱されます。

そこで、

• 材質
• 板厚
• 継手形状
• 溶接姿勢
• 使用する溶接方法

に合わせて条件を調整します。

薄板では特に、穴あきや溶け落ちと同時に歪みにも注意が必要です。

治具やクランプを使用する

製品によっては、治具やクランプを使用して部材位置を保持しながら溶接します。

ただし、製品形状によっては専用治具を使用せず、スケールや差し金で寸法を確認しながら仮付けする場合もあります。

重要なのは、本溶接中に部材がどの方向へ動く可能性があるかを考えることです。

溶接量を必要以上に増やさない

「たくさん溶接した方が安心」と考えて、必要以上に溶接量を増やすと、その分だけ熱と収縮も増えます。

必要な溶接量は製品の用途や図面、要求仕様によって異なります。

そのため、必要以上に大きなビードや長い溶接を行わず、要求される仕様に合わせて施工します。

薄板は特に溶接歪みに注意

薄板は厚板と比較すると剛性が低く、わずかな収縮でも製品全体の反りや波打ちにつながる場合があります。

当社では、SS400のt2.3mmを使用した鉄製タンクを半自動溶接で製作した事例があります。

円筒形状の胴部分、上下板、ブッシング周囲など複数箇所へ熱が入るため、製品の状態を確認しながら組立・溶接を行いました。

図面なしで鉄製タンクを製作した事例

では、実際の製作工程を紹介しています。

架台・フレームでは直角と対角を確認

架台やフレーム製作では、溶接歪みによって完成時の直角や対角寸法が変わる場合があります。

そのため、仮付けした状態で寸法を確認し、本溶接を進めながら再度確認します。

例えば、小学校体育館向けに製作したエアコン室内機用架台では、約W1800×D1000mmのC形鋼フレームを約8台製作しました。

この製品では、フレームを溶接した後の寸法を確認してから取付穴の位置を出し、穴加工を行っています。

溶接前にすべての穴を加工するのではなく、溶接後の実寸を基準にすることで、取付穴位置を確認しながら製作しました。

体育館のエアコン室内機用架台を製作した事例

でも詳しい工程を紹介しています。

一点物でも寸法を確認しながら製作

一点物や図面のない製作品でも、歪みへの考え方は同じです。

手書きスケッチから鉄筋製品を製作した事例では、専用治具を使用せず、スケールや差し金で全体寸法や直角を確認しながら仮付けしました。

その後、本溶接中も完成形状を確認しながら製作しています。

図面なしで手書きスケッチから一点物を製作した事例もご覧ください。

溶接歪みは完全になくせる？

溶接で局部的に熱を加える以上、歪みを完全にゼロにすることは簡単ではありません。

そのため実際の製作では、

• どの方向へ変形しそうか考える
• 仮付け状態で寸法を確認する
• 溶接順序を考える
• 必要以上の入熱を避ける
• 本溶接途中でも寸法を確認する
• 完成後に再度測定する

といった工程が重要になります。

また、製品によって求められる寸法精度も異なります。

一般的な製缶品と、機械加工後に使用する部品では要求される精度が同じとは限りません。

そのため、寸法公差や重要な取付位置がある場合は、製作前に図面上で確認しておくことが重要です。

有限会社アラヤでの溶接歪みへの対応

有限会社アラヤでは、鉄を中心に板厚2.3～16mm程度の製缶・溶接加工を行っています。

製作時には製品に合わせて、

• 仮付け
• 全体寸法の確認
• 直角・対角の確認
• 溶接順序の検討
• 板厚に合わせた溶接条件
• 本溶接途中の寸法確認
• 完成後の寸法・外観確認

などを行っています。

特に、

• 架台
• フレーム
• ホッパー
• タンク
• 作業台
• 設備用金物
• 一点物

などは、溶接する箇所が多くなるほど歪みとの付き合い方が重要になります。

歪みを抑えた溶接・製缶加工をご相談ください

「長尺のフレームを製作してほしい」

「溶接後の寸法精度が気になる」

「薄板の製缶品を作ってほしい」

「取付穴の位置が重要な架台を製作してほしい」

「図面どおりに製缶できるか相談したい」

といった案件もご相談ください。

お問い合わせの際は、

• 図面
• 材質
• 板厚
• 全体寸法
• 重要な寸法・公差
• 溶接箇所
• 数量
• 使用用途
• 希望納期

などを分かる範囲でお知らせください。

図面がない場合でも、製品によっては寸法入りのスケッチや写真から検討できる場合があります。

「この形状を溶接すると、どの程度歪みが問題になりそうですか？」という段階からでもご相談ください。

▶ 溶接・製缶加工について相談する