溶接するとなぜ歪む？変形を最小化する設計・施工戦略

溶接歪みは、溶接記号（JIS Z 3021）通りに溶接しても発生する。理由は単純で、溶融した金属が冷却収縮するときに、母材を引っ張りながら自分も縮むからだ。長尺フレームを片側だけ連続溶接すると数mm単位の反りが出るのは典型例で、後工程の矯正に大きな工数がかかる。設計段階で変形を予測しておけば、この矯正工数は大幅に削減できる。

歪みの3形態：角変形・縦収縮・横収縮

• 角変形：T継手やすみ肉で2部材が引き寄せられる。突合せでも板が弓なりに反る。
• 縦収縮（Longitudinal Shrinkage）：溶接線方向に全長が縮む。3 m材で1〜3 mm程度。
• 横収縮（Transverse Shrinkage）：溶接線直角に間隔が詰まる。板厚9 mm・I開先突合せで約1 mm前後。

JIS Z 3604（軟鋼溶接金属の機械的試験方法）に解説があるが、現場では経験式（入熱・板厚・拘束度の関数）の方が早い。

プリセッティング（逆変形）

収縮量を予測して、あらかじめ反対側に振っておく手法だ。逆変形量はサンプル溶接で実測して決めるのが基本で、経験的な数値の積み重ねが精度に直結する：

• T継手すみ肉：垂直板を外側に3〜5°プリセット
• 突合せ：板を凹側にもち上げる量を計算 ＝ 横収縮量 × アーム長 ÷ 板厚

溶接順序を図面に明記する

これが日本の溶接現場では決定的に効く。順序を指示しないと、作業者は溶接しやすい順に流す。設計者がコントロールすべき要素だ：

• 左右対称順：構造物中心から両端に交互に。片側集中は厳禁。
• 後退溶接（Backstep）：進行方向と逆向きに小ビードを置いて収縮を相殺。
• 大きい構造物は仮付け（タック）→ 本溶接の段階を明示。

ジグ・ストロングバック・入熱管理

溶接ロボットを導入した工場では、ストロングバック（仮付け補強材）を多用するのが一般的だ。標準ジグ要素（クランプ、ロケータ）を組み合わせれば、変形防止と精度を両立できる：

• ジグ拘束は変形を抑える代わりに残留応力を増やす。応力除去焼鈍（PWHT）が必要になる場合もある。
• 入熱は最小に：パス数を減らし、電流↓・速度↑。WPS（溶接施工要領書）の入熱条件を守る。
• 予熱は割れ対策（炭素当量CE > 0.4の高張力鋼）で、変形低減ではない。逆に熱膨張で変形が増えることもある。