技術コラム 設計段階で差がつく！溶接の歪みと強度を両立する図面設計の考え方

サンメックの設計担当者の勉強会の様子

特に金属製品の製造において、溶接は欠かせない接合方法のひとつです。しかし、ただ部材をつなげば良いというものではありません。溶接は熱による歪みがつきものであり、これによって寸法がずれたり、構造全体に応力（外からの力に対して、物体内部に生じる力）が偏ってしまったりすることも少なくありません。さらに、構造物の安全性や耐久性を左右する「強度」の確保も重要です。設計段階でこれらを考慮しなければ、後の工程で手戻りや品質トラブルが発生し、コスト増や納期遅延にもつながってしまうのです。

とくに溶接設計においては、図面に記載される情報が原点になると言っても過言ではありません。溶接品の図面には、寸法や形状だけでなく、溶接記号、継手の種類、脚長や開先の設定、使用材料の選定など、あらゆる項目が記載され、その全てが現場での加工性と仕上がり精度に影響します。「作業者にとってわかりやすい図面かどうか？」、「迷わない指示内容になっているか？」。あらゆる面を考慮して設計図面を描く必要があります。

この記事では、溶接構造品/製缶品の設計から製作、据付工事までを行う株式会社サンメックが、溶接による歪みの回避のコツや、強度を保つための設計の考え方、設計と現場の連携の重要性まで、実務に役立つ知識をわかりやすく解説いたします。溶接設計における基礎知識を知りたい方や、お困りごとを持たれている方までご活用頂ける実践的なヒントを紹介いたしますので、ぜひ最後までご覧ください。

また、溶接、設計段階からのものづくり等に関するお困りごとをお持ちの方におかれましては、技術相談からでも承りますので、お気軽にお問い合わせください。

設計で決まる！溶接における「歪み」と「強度」の基本

当社社員の溶接の様子, 歪みを最小限にする工夫も考えられております。

溶接構造品の設計を行う際、「歪み」と「強度」のバランスをどう取るかは非常に重要です。この2つは一見すると独立した課題のように見えますが、実際は設計段階の判断次第でどちらも大きく左右される要素です。

材料の選定や溶接方法、継手の配置、構造物の形状、さらには加工時の拘束条件や製品寸法など、設計図面に含まれるすべての要素が、後工程での溶接性や加工精度、そして最終的な品質に影響を与えます。

溶接部は単なる「接合点」ではなく、構造全体の中で最も応力（力の集中）がかかりやすく、かつ変形しやすい弱点とも言える部位です。だからこそ、設計した図面上の情報が「製品性能そのもの」を左右するという意識が必要なのです。

本章では、「歪み」と「強度」の関係を紹介するとともに、図面設計から強度を保つポイントを少し紹介します。

歪みとは何か？

溶接時の歪みは、溶接構造物の精度や組立性を大きく左右します。金属は熱によって膨張・収縮する性質を持つため、局部的に熱が加わる溶接では、部品が思いもよらない方向に曲がったり、ねじれたりする現象が発生します。これが「溶接歪み」と呼ばれるもので、とくに薄板や細長い部材、非対称形状では影響が顕著になります。

歪みが発生すると、図面に示された寸法通りに仕上がらなかったり、組立時に調整作業、場合によっては再製が必要になったりと、工程全体に大きな影響を及ぼし、コストが増大する恐れもあります。歪みを抑えるためには、部品配置を対称にする、正しい治具・クランプを活用する、溶接順序を最適化するなど、設計段階から歪みの発生を予測し、予防する事が求められます。

たとえば、開先（部品に設ける溶接のための切り欠き）形状や、溶接ビード（肉）を左右対称に進めるなど工夫することで、加熱と収縮のバランスを取る工夫が効果的です。さらに、材料の厚さ（板厚）や接合部の脚長、クランプの使用可否など、加工時の条件まで見据えた設計が精度向上には不可欠です。

図面にはっきりとした指示がない場合、現場では作業者の経験と判断に頼ることになり、ばらつきや品質トラブルの原因にもなりかねません。だからこそ、「どこにどのような溶接を施すのか」という情報を、記号や寸法で正確に図面に反映させることが大切です。

歪みを抑える図面設計の考え方

溶接による歪みは、製品の組立性や精度、そして最終的な機能性にまで大きな影響を及ぼします。
だからこそ、「歪まないように溶接する」ではなく、「歪みにくいように設計する」という視点が図面設計では求められます。

製作の現場では、図面から得られる情報をもとに加工や組立が進められます。
このとき、溶接の方法や順序、拘束状態、部材配置などに配慮がなされていないと、想定外の変形や寸法ズレが発生しやすくなります。

図面設計の段階でどのように歪みを予測・防止できるかが、構造全体の完成度を左右すると言っても過言ではありません。

熱による変形のメカニズムを理解する

まず押さえておきたいのが、歪みがどのようにして起こるかという基本的な仕組みです。金属は加熱されると膨張し、冷えると収縮します。この性質は材料によって異なりますが、ほとんどの金属に共通しています。

溶接では、母材の一部だけが高温になり、溶接線を中心に熱が集中します。冷却時には、その部分が急激に縮もうとするため、結果として溶接部周辺の寸法や形状に変形（=歪み）が生じるわけです。

特に薄板や長尺部材、細い構造物などでは、わずかな歪みでも組立に支障が出ることがあります。
たとえば脚長が不均一だったり、肉厚が設計より大きくなると、それに引っ張られる形で他の部材にズレが生じる可能性もあります。

このような「熱による変形」は、使用材料の熱伝導率、板厚、溶接長、ワークの固定条件（拘束条件）によって影響の大きさが変わります。
材料や構造の特徴を踏まえて、歪みに対して敏感な部分を設計段階で把握しておくことが重要です。

対称性と固定条件を意識した配置

歪みを抑える設計の基本としてよく挙げられるのが「対称性」と「固定条件」の適切な設定です。

たとえば、左右対称に部品が配置されていれば、溶接時に発生する熱変形もバランスが取れ、全体としての反りやズレを軽減できます。反対に、片側だけに溶接が集中すると、そちら側へ構造全体が引っ張られるような変形が生じます。

また、現場での固定方法（クランプや治具の設定）も大きな要因です。固定する力が強すぎると応力が蓄積し、逆に溶接後に大きく変形することがあります。設計図面上で母材の固定方法に触れることは少ないですが、そういった配慮が設計段階で必要なのです。

構造物全体のバランスだけでなく、溶接順序にも配慮することで、熱のかかる順番を最適化することで、累積した熱による歪みを抑えることができます。このように、「形状」、「順序」、「最終製品の重心」などの観点から、歪みに強い設計を検討することが求められます。

開先形状と寸法の工夫

さらに、開先（かいさき）形状や寸法公差の設定も、歪みに対して有効な対策の１つと言えます。

開先は、母材同士をしっかり溶け込ませるために設けられる切り欠き部分のことですが、この開先の角度や深さ、さらには脚長やビード幅（肉の量）によって、溶接部の収縮量が変わってくるのです。

仮に必要以上に開先を大きく設けてしまうと、それだけ多くの溶接金属を盛ることになり、結果として収縮量も大きくなって歪みが強く出ることがあります。

一方で、寸法公差をやみくもに厳しくしてしまうと、製造コストが上がる原因になります。
図面上では、適正な余裕寸法を設定し、実際の加工ばらつきを許容できるようにすることが、工程全体の安定につながります。

また、JISや社内標準で定められた寸法・記号の使い方を正しく守ることで、現場とスムーズに連携できる図面が完成します。
このとき「分類」「知識」「使う」「情報」など、図面上でしっかり伝える工夫も必要です。

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まとめると、歪みを抑えるには「材料」「形状」「溶接順序」「拘束条件」「開先」「脚長」「ビード（肉）」「記号」「寸法」――これらすべてが関係しています。つまり、シンプルに対策ができる課題ではなく、設計段階から多角的に考え抜くことが歪み防止には不可欠なんです。

強度を確保するための構造的ポイント

溶接構造品の「強度」は、そのまま製品の安全性や耐久性に直結します。
見た目には問題がないように見えても、内部に応力（力の集中）が偏っていれば、使用中に割れたり、変形したりするリスクが高くなります。この章では、構造的な観点から強度を確保するための設計の工夫を紹介します。

疲労破壊を防ぐための工夫

繰り返し・継続的な負荷や振動によって生じる「疲労破壊」は、強度不足によるトラブルの中でも特に見落とされがちなポイントです。静荷重には耐えられても、長時間にわたる微小な繰り返し応力（引張）でも、徐々に微細なひび割れが広がり、最終的に突然破断することもあるため注意が必要です。

疲労破壊を防ぐには、まず応力集中を減らす設計にすることが大前提。さらに、溶接部の仕上がり品質を確保することも重要です。溶接部の過度な脚長や、ビードの急な立ち上がりは、応力の不連続性を生み、疲労に弱くなります。

表面仕上げやトリミング、研磨などを設計段階で指示し、実際の製作・検査工程まで見据えた記号や注記を図面に記載しておくと、現場との情報共有がスムーズになります。

また、もし過去に破損事故が起きた製品事例がある場合には、分析を行う事はマストで、「どこに疲労破壊が集中しやすいか」「どの継手構造が危険か」といった傾向を把握しておくことが、再発防止とノウハウの蓄積につながります。

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「強度を確保する設計」というと難しく感じますが、ポイントをまとめると、

• 応力が集中しない形状・配置を検討する
• 継手の種類や位置、寸法を適切に設定する
• 板厚や開先を過不足ないように設定する
• 疲労破壊の傾向を予測し、加工指示まで考慮する

このような工夫が、製品の信頼性・安全性・製造コストの最適化につながります。
設計・製図段階からこうした「強度の考え方」をしっかり考慮し、現場作業とのギャップを埋め、工程の長期化や後戻りが起きないように注意することが重要です。

図面と現場のギャップを埋めるには？

ここまでは、設計時の重要なポイントを紹介してきましたが、実際談どれだけ精緻な設計を行っても、実際の製造現場でその意図が正しく伝わらなければ、精度や品質は安定しません。特に溶接や製缶のような加工では、材料のばらつきや作業者のスキル、利用設備の違いなどによって、仕上がりに差が出やすいのが実情です。
そのギャップを埋めるカギとなるのが、「図面」と「現場」の連携です。

当社の溶接構造物の製作事例

当社ではプラント業界を中心に幅広い業界のお客様よりお引き合いを頂いており、数多くの溶接構造物の設計～製作を行った事例がございます。ここで、当社が実際に設計、製作した製品事例をご紹介いたします。

まとめ：歪みを抑え、強度を高める溶接設計のポイントとは

溶接構造物/製缶品の品質は、性能、安全性、耐久性に直結します。そしてその基盤となるのが、設計段階でいかに「歪みの抑制」と「強度の確保」を両立させた図面を描けるかにかかっています。

溶接では、熱によって材料が変形しやすく、しかも応力が局所に集中しやすい。こうした特性を理解せずに設計を進めれば、加工現場で歪みや強度不足といった問題が発生し、品質トラブルや再加工、納期遅れといったリスクにつながります。

精度と信頼性の高い設計を行うには、

• 歪みの発生を予測し、ワーク対称性や溶接順序、固定方法まで考慮した設計を行う
• 応力集中を避けられる形状、適切な継手・板厚を選定し、強度を確保する
• 寸法、記号、指示を明確にし、誰が見ても分かりやすい図面を描き、品質の均一化まで図る
• 現場との連携の強化によるコメントや、過去の製造実績を設計内容にフィードバックする

これらの工夫、行動を実施することが大切です。

当社では、プラント業界・建機業界を中心に大型の溶接構造物の製造実績を豊富に有しており、定期的に現場管理者と設計担当者同士をフィードバックが行える会議も設け、最適な溶接構造品の設計を行える体制を築けております。長年培ってきた高い技術力と時代のニーズに対応した設備を活かして、高品質な製品を短納期・低コストで提供可能です。豊富な経験をもとに、製品の信頼性を高めるとともに、お客様から高い評価と信頼をいただいております。
もし、溶接品の設計等について、お困りごとやご相談がございましたら、ぜひお気軽にお問い合わせください。