溶接歪みは金属製造における一般的な課題です。薄い炭素鋼シート、ステンレス鋼管、大型構造フレーム、または熱交換器コンポーネントを溶接する場合、溶接中の不要な動きが寸法精度、接合部の位置合わせ、および製品全体の品質に影響を与える可能性があります。
溶接歪みを防ぐ最も効果的な方法は、溶接前、溶接中、溶接後の溶接収縮を制御することです。 6 つの実際的な方法には、適切な治具の使用、コンポーネントのプリセット、バランスの取れた溶接技術の適用、入熱の制御、溶接順序の計画、および適切な冷却手順の実施が含まれます。
これらの方法は、反り、角度の歪み、ねじれ、寸法の変化を軽減するのに役立ちます。ただし、すべての材料や接合部の設計に単一の手法が適用できるわけではありません。
このガイドでは、溶接歪みが発生する理由、その防止方法、さまざまな製造用途に最適な技術について説明します。
溶接歪みは、溶接中の不均一な加熱と冷却によって引き起こされる、ワークピースの形状、寸法、またはアライメントにおける望ましくない変化です。
溶接アークが局所領域を加熱すると、金属が膨張します。周囲の冷たい材料によりこの膨張が制限され、塑性変形が生じる可能性があります。
溶接部と周囲の材料が冷えると、加熱された領域が収縮します。収縮はコンポーネント全体で均一ではないため、結果として生じる収縮力により、ワークピースが曲がったり、ねじれたり、歪んだりする可能性があります。
最終的な歪み量は、材料、接合部の形状、溶接サイズ、入熱、溶接順序、拘束の程度によって異なります。
歪みの種類 |
典型的な外観 |
一般的なアプリケーション |
|---|---|---|
角度の歪み |
プレートまたはジョイントのエッジが溶接に向かって回転します |
突合せ継手、すみ肉溶接 |
縦方向の収縮 |
溶接方向に沿ってワークが短くなります |
長い縫い目、構造梁 |
横収縮 |
溶接全体にわたる共同契約 |
突合せ溶接されたプレートおよびパイプ |
お辞儀をする |
ワークピースが長さに沿って湾曲する |
薄いプレート、長いフレーム |
座屈 |
薄い素材では波打ちやシワが発生します |
板金加工 |
ツイスト |
アセンブリが回転してずれてしまう |
フレームと不規則な構造 |
歪みの種類を特定することは、正しい予防方法を選択するための第一歩です。
溶接歪みは、ワーク全体の温度分布が不均一であるために発生します。
いくつかの要因により、歪みの量が増加する可能性があります。
溶接領域は周囲の母材よりもはるかに高温になります。
この温度差により不均一な膨張と収縮が生じ、ワークの形状が変化する可能性があります。
必要以上に多くの溶接金属を堆積すると、冷却中に収縮する材料の量が増加します。
大きすぎる溶接や不必要な追加パスは、収縮と歪みを増大させる可能性があります。
長い溶接を完了したり、アセンブリの片側をもう一方より先に大量に溶接すると、不均衡な収縮力が発生する可能性があります。
製造が進むにつれて、結果として生じる歪みを修正することが困難になる場合があります。
薄いシート、長いチューブ、柔軟な構造物は、適切にサポートされていないと溶接中に動く可能性があります。
フィッティングが悪く、ジョイントの隙間が一貫していない場合も、歪みが予測しにくくなることがあります。
金属が異なれば、溶接熱に対する反応も異なります。
たとえば、多くのオーステナイト系ステンレス鋼は炭素鋼に比べて熱膨張が比較的高く、熱伝導率が低いため、歪みの制御が特に重要になります。
次の 6 つの方法は、製造計画、接合部の準備、溶接、冷却中に適用できます。
溶接歪みを軽減する最も実際的な方法の 1 つは、溶接を開始する前にワークピースを固定することです。
固定具、クランプ、位置決めブロック、および一時的なサポートは、位置合わせを維持し、不要な動きを制限するのに役立ちます。
この方法は、薄いシートメタル、小さなコンポーネント、ステンレス鋼管、および寸法公差が厳しいアセンブリに特に役立ちます。
次の実際的な手順に従ってください。
必要な寸法とジョイントギャップに従ってコンポーネントを配置します。
位置合わせを維持するには、適切な固定具またはクランプを使用してください。
溶接アクセスを妨げたり、接合部に干渉したりしない場所にクランプを配置します。
必要な溶接手順を使用して仮付け溶接を適用します。
主溶接を完了する前に、位置合わせと寸法を確認してください。
承認された製造手順に従って固定具を外します。
長いジョイントの場合は、一貫したルート ギャップを維持するために、計画された順序で仮付け溶接を配置します。
必要に応じて、一時的なストロングバックや補強材も使用できます。
はい。
拘束すると目に見える動きは減少しますが、過剰な拘束は残留応力と亀裂のリスクを増加させる可能性があります。
これは、亀裂に敏感な鋼材や拘束性の高い接合部を溶接する場合に特に重要です。
目的は、いかなる犠牲を払ってでもあらゆる可能性のある動きを阻止することではありません。有害な応力集中を避けながら寸法精度を維持するためです。
実用的なヒント: 位置合わせを制御するために十分な拘束を使用しますが、材料特性や亀裂の感受性を考慮せずに不必要な硬い固定具を追加しないでください。
プリセットは、溶接前にコンポーネントを最終的に必要な形状から意図的にわずかに離して配置する歪み制御技術です。
予想される溶接収縮により、コンポーネントは目的の位置に向かって移動します。
このテクニックは、逆変形または逆曲げと呼ばれることもあります。
突合せ溶接によって接合された 2 つの鋼板を考えてみましょう。
溶接プロセスにより角度歪みが生じることが予想される場合は、溶接前にプレートを小さな対向角度で配置することができます。
溶接部が冷えて収縮すると、接合部は必要な最終形状に向かって移動します。
プリセットは次の場合に効果的です。
平板突合せ継手
一部のパイプ継手
繰り返しの溶接部品
収縮が予測可能な構造アセンブリ
寸法データが確立された生産治具
普遍的なプリセット角度や許容値はありません。
正しい量は以下によって異なります。
材料の厚さ
関節の準備
溶接サイズ
溶接工程
パス数
溶接位置
拘束の程度
繰り返し生産の場合、試行溶接と寸法測定は、適切な事前設定許容値を決定するのに役立ちます。
技術的な承認なしに、圧力がかかるコンポーネントや安全性が重要なコンポーネントに任意のプリセット角度を適用しないでください。
実用的なヒント: 溶接前、溶接直後、冷却後の寸法を記録します。これらの測定は、将来の生産における事前設定の精度を向上させるのに役立ちます。
溶接技術は、熱と収縮がコンポーネント全体にどのように分散されるかに大きな影響を与えます。
長い溶接や大規模なアセンブリの場合、溶接を制御されたセクションに分割すると、歪みの蓄積を軽減できます。
有用な 3 つのアプローチは、バックステップ溶接、スキップ溶接、バランス溶接です。
バックステップ溶接は、溶接の全体的な進行とは反対の方向に短い溶接セグメントを堆積させる技術です。
たとえば、全体のシーケンスは左から右に進み、個々の溶接セグメントは右から左に堆積されます。
このテクニックは、収縮を単一の連続方向に蓄積させるのではなく、長いジョイントに沿って分散させるのに役立ちます。
バックステップ溶接は、一般に、長いシーム、プレートアセンブリ、および選択された構造溶接に対して考慮されます。
スキップ溶接では、接合部に沿って所定の間隔で短い溶接セグメントを堆積します。
残りのセクションは計画された順序で完了します。
スキップ溶接は、溶接溶着物をさまざまな場所に分散させることで、局所的な歪みの発生を制御するのに役立ちます。
ただし、セグメントの長さ、順序、および温度の要件は、承認された溶接手順と一致していなければなりません。
バランス溶接の目的は、部品の中立軸の周りに収縮力を分散させることです。
たとえば、アクセスとジョイントの設計が許可されている場合、溶接はジョイントの反対側に交互に配置できます。
これにより、一方の側がもう一方の側より先に完全に溶接された場合に発生する可能性のある角度の歪みを軽減できます。
バランス溶接は、次のような場合に特に役立ちます。
両面突合せジョイント
構造梁
大型溶接フレーム
対称アセンブリ
マルチパス溶接
いつもではありません。
中心から外側へのシーケンスは一部の対称アセンブリに役立ちますが、最適な方向はジョイントの形状、拘束、取り付け、溶接手順の要件によって異なります。
特定の長いジョイントでは、自由端に向かって進むと歪みの制御が向上する場合があります。
実用的なヒント: 常に中心から開始するなどの固定ルールに基づいて溶接するのではなく、予測される収縮方向に基づいて溶接順序を選択します。
熱が過度に分散されたり不十分に分散されたりすると、溶接の影響を受ける領域が増加し、歪みが発生する可能性があります。
ただし、溶接電流をできるだけ減らすことが必ずしも正しい解決策であるとは限りません。
目標は、不必要な加熱を制限しながら健全な溶接を生成する適切な入熱を使用することです。
溶接入熱は、次のようないくつかのパラメータの影響を受けます。
溶接電流
アーク電圧
移動速度
溶接工程の効率化
溶接技術
特定の電流と電圧の場合、一般に移動速度が遅いほど、単位長さあたりに供給されるエネルギーが増加します。
滞留時間が長く、不必要なウィービングを行うと、ワークピースに導入される熱量も増加する可能性があります。
次の方法を使用してください。
材質や接合部に適した電流・電圧設定を選択してください。
一定の移動速度を維持してください。
不要なアークが 1 か所に滞留するのを避けます。
特大の溶接を堆積するのではなく、指定された溶接サイズを使用します。
不必要な追加パスを避けてください。
必要なパス間温度範囲を維持します。
薄い材料の場合、慎重に選択された溶接パラメータと効率的な移動により、反りを軽減できます。
はい。
電流が低すぎると、溶着不良や溶接状態の不安定などの不具合が発生する可能性があります。
場合によっては、低電流を補うために移動速度を遅くすると、単位長さあたりの総熱入力が増加する可能性があります。
したがって、最善のアプローチは、単に電流を最小限に抑えるのではなく、溶接パラメータを最適化することです。
実践的なヒント: 溶接品質、溶け込み、および承認された手順の要件を満たしながら、実用的な最低入熱量を使用します。
溶接順序をよく計画すると、アセンブリの一部に収縮力が集中するのを防ぐことができます。
これは、大きなフレーム、長いプレート、パイプ構造、熱交換器コンポーネントの場合に特に重要です。
すべての溶接である程度の収縮が発生します。
複数の溶接が堆積される場合、その順序によって、それらの収縮力がどのように相互作用するかが決まります。
不適切な順序により、コンポーネントの位置がずれたり、歪みが構造に固定されたりする可能性があります。
適切な順序により、接合部へのアクセス性と溶接品質を維持しながら、これらの力のバランスをとることができます。
アセンブリを安定させたり、局所的な収縮を管理したりするために、一部の製造シーケンスでは最初に短い溶接が完了する場合があります。
ただし、これは普遍的なルールではありません。
他の状況では、特定の長い溶接を最初に完了するか、異なる接合位置を交互に完了すると、より良い寸法制御が得られる場合があります。
正しい順序は、アセンブリ設計と承認された製造計画に基づく必要があります。
溶接前:
大幅な収縮を引き起こす可能性が最も高い接合部を特定します。
必要な最終寸法と公差を確認してください。
一時的なサポートや拘束が必要な場所を判断します。
反対側の溶接のバランスをとれるかどうかを検討してください。
集中的な収縮を制限する順序を選択します。
溶接の進行に合わせて位置合わせを監視します。
大きなフレームの場合は、アセンブリを小さな溶接段階に分割すると役立つ場合があります。
設計要件が許せば、断続溶接を行うと、溶着金属の量が減少する可能性があります。
ただし、技術的な承認なしに、必要な連続溶接を断続溶接に置き換えてはなりません。
実践的なヒント: 歪みの制御が個々のオペレータの習慣に完全に依存しないように、繰り返し生産する場合は溶接シーケンスを文書化する必要があります。
冷却は溶接熱サイクルの最終段階であり、残留応力、微細構造、最終寸法に影響を与える可能性があります。
不適切な冷却はさらなる品質上の問題を引き起こす可能性があります。
水焼入れは一般的な歪み防止方法としては使用できません。
急冷すると急な温度勾配が生じ、特定の鋼に望ましくない冶金学的変化が生じる可能性があります。
一部の材料では、硬度が増加し、亀裂が発生しやすくなる可能性があります。
特殊な溶接手順では制御された冷却技術が使用される場合がありますが、これらの方法には適切な工学的評価が必要です。
多くの日常的なステンレス鋼製造用途では、制御されていない水焼入れを適用するよりも、適切な作業場条件下で溶接部品を冷却することが望ましいです。
ただし、冷却要件はステンレス鋼のグレード、接合部の設計、溶接プロセス、適用される手順によって異なります。
ステンレス鋼のチューブ束や薄肉コンポーネントは、不均一な加熱と冷却が位置合わせに影響を与える可能性があるため、特に注意が必要です。
自動的ではありません。
一部の炭素鋼用途では通常の空冷が可能です。
他の用途では、制御された冷却、予熱メンテナンス、または溶接後の熱処理が必要です。
正しい方法は、鋼種、厚さ、焼入れ性、溶接手順によって異なります。
不必要な断熱は冷却を遅らせて有益な効果をもたらさない可能性があり、不適切な急速冷却は亀裂のリスクを高める可能性があります。
実用的なヒント: 指定された冷却手順と温度制限に従ってください。汎用の歪み制御ソリューションとして水、圧縮空気、断熱材を使用しないでください。
最適な方法はワークピースの種類と予想される歪みによって異なります。
ワークまたはアプリケーション |
一般的な歪みのリスク |
推奨制御方法 |
|---|---|---|
薄い炭素鋼板 |
座屈と反り |
治具、制御された入熱、計画された短い溶接セグメント |
ステンレス鋼チューブ |
角度の歪みと位置ずれ |
正確な取り付け、バランスの取れた溶接、適切な冷却 |
大型構造フレーム |
ねじれと寸法変化 |
計画された溶接順序、バランス溶接、固定具 |
長尺鋼板 |
反りと縦収縮 |
バックステップ溶接またはスキップ溶接、適切な拘束 |
パイプ突合せ継手 |
角度の歪みと関節のズレ |
正確な取り付け、適切な仮付け溶接、バランスの取れたパス |
熱交換器のチューブとチューブシートの接合部 |
チューブのアライメントの変化と局所的な歪み |
正確な位置決め、制御された溶接シーケンスおよび入熱 |
厚い炭素鋼アセンブリ |
収縮と残留応力 |
認定された溶接手順、適切な拘束および熱制御 |
これらの推奨事項は一般的な開始点です。最終的な溶接手順は、材料、設計、サービス要件、および該当する製造基準に従って選択する必要があります。
薄い金属シートは、比較的少量の溶接熱で局所的に大きな変形が生じる可能性があるため、特に歪みの影響を受けやすくなります。
溶接を妨げずに必要な形状を維持する治具でワークを支持します。
必要に応じて、裏当てバーや熱伝導性の固定具を使用すると、局所的な温度分布を制御できます。
設計に必要な量を超えて溶接金属を堆積させないでください。
薄いシートメタルの場合、溶接部が大きすぎると不必要な収縮が生じる可能性があります。
熱が 1 つの小さな領域に集中するのを避けるために、溶接を分散させます。
継手の設計が許せば、短い溶接セグメントまたは計画されたスキップ シーケンスが役立つ場合があります。
ただし、必要な浸透性、導通性、シール性は維持する必要があります。
最初の仮付け溶接後およびその後の溶接段階でワークピースをチェックしてください。
早期に検出することで、歪みが深刻になる前に溶接シーケンスや治具の配置を調整できます。
ステンレス鋼チューブは、工業用配管、プロセス機器、熱交換器の製造に広く使用されています。
寸法精度は、厳密に管理されたアセンブリにチューブを適合させる必要がある場合に特に重要です。
多くのオーステナイト系ステンレス鋼は、炭素鋼よりも熱膨張が高く、熱伝導率が低くなります。
これらの特性により、溶接中の局所的な温度差や収縮の影響が増大する可能性があります。
チューブの正確な位置決めと適切な仮付け溶接を使用して、位置合わせを維持します。
過剰な入熱や不必要な溶接パスを避けてください。
アクセスとジョイントの設計が許可されている場合は、ジョイント周囲の溶接デポジットのバランスをとってください。
チューブ束およびチューブとチューブシートのアセンブリの場合、計画的に溶接順序を設定することで、隣接する接合部に熱が集中するのを防ぐことができます。
溶接中の動きを修正するために、制御されていない水冷を適用しないでください。
重要なチューブとチューブシートの接続については、認定された溶接手順および該当する気密性または検査要件に従ってください。
大きな溶接フレームでは、多くの個々の溶接が構造全体に収縮力を与えるため、累積的な歪みが発生する可能性があります。
フレームは、最初の組み立て時には正しく位置合わせされているように見えますが、溶接が進むにつれてねじれたり湾曲したりする場合があります。
溶接前に基準点と重要な測定値を確立します。
仮付け溶接後および製造中の選択された段階で重要な寸法を記録します。
承認された手順でその順序が要求されている場合を除き、対称構造の片側のすべての溶接を完了してから反対側に取り組むことは避けてください。
ストロングバック、ブレース、固定具は、意図した形状を維持するのに役立ちます。
それらの使用では、拘束によって引き起こされる応力と除去方法を考慮する必要があります。
過度の溶接や過度の溶接金属は避けてください。
工学設計が許可する場合は、溶接の配置と接合部の準備を最適化して、溶接の総体積を削減します。
製造計画が収縮を適切に考慮していない場合、経験豊富な溶接工でも歪みが発生する可能性があります。
よくある間違い |
考えられる結果 |
より良い実践 |
|---|---|---|
適切なはめあい制御を行わない溶接 |
関節ギャップの変化と位置ずれ |
適切な仮付け溶接と治具を使用する |
クランプが硬すぎる |
高い残留応力または亀裂のリスク |
制約と材料要件のバランスを取る |
溶接金属の使用量が多すぎる |
収縮の増加 |
指定された溶接寸法に従ってください |
不適切な方向からの連続溶接 |
累積歪み |
必要に応じてバックステップ、スキップ、またはバランスのとれたシーケンスを計画します。 |
アークを 1 か所に長く保持しすぎる |
過度の局所加熱 |
適切な走行速度を維持する |
パス間温度要件の無視 |
制御されていない熱サイクル |
承認された温度範囲に従ってください |
制御されていない急速冷却に水を使用する |
熱および冶金学的問題 |
指定された冷却手順に従ってください |
手順を確認せずに治具を取り外す |
予期せぬ次元移動 |
適切な段階でサポートをリリースする |
歪んだコンポーネントを強制的に位置合わせする |
損傷または亀裂の可能性 |
承認された修正手順を使用する |
生産を開始する前に、このチェックリストを使用して、潜在的な歪みの問題を特定してください。
材料の種類、厚さ、接合部のデザインを確認します。
必要な寸法と公差を確認してください。
適切な治具とサポートを選択します。
ジョイントのフィットアップとルートギャップを確認します。
仮付け溶接と本溶接の順序を計画します。
承認された溶接手順を確認してください。
指定された溶接パラメータを維持します。
不必要な熱入力を避けてください。
実用的な場合はバランス溶接を使用してください。
計画された溶接順序に従ってください。
関節の位置と動きを監視します。
必要なパス間温度を維持します。
指定された冷却手順に従ってください。
制御されていない急速冷却は避けてください。
製作計画に従って治具を取り外します。
冷却後に最終寸法を測定します。
溶接部に欠陥がないか検査します。
将来の生産のために歪みと修正措置を記録します。
溶接歪みの一部は製造後に修正できますが、一般的には防止することが望ましいです。
矯正方法には、機械的矯正、制御された熱矯正、またはその他の承認された手順が含まれる場合があります。
ただし、修正にはリスクがないわけではありません。
過度の機械的力が加わると、母材や溶接接合部が損傷する可能性があります。
制御されていない加熱は材料特性に影響を与え、追加の残留応力を引き起こす可能性があります。
圧力がかかるコンポーネント、疲労に敏感なコンポーネント、または安全性が重要なコンポーネントの場合、修正方法は資格のある担当者によってレビューされ、承認される必要があります。
溶接されたコンポーネントが寸法公差を超えている場合は、修正を試みる前に歪みの種類と原因を特定します。
溶接歪みは、溶接時の不均一な熱膨張・収縮によって発生します。局所的な加熱、溶接の収縮、接合部の拘束、溶接のサイズ、溶接順序はすべて、歪みの量と種類に影響します。
最適なアプローチは、適切な接合設計、正確な取り付け、適切な治具、バランスのとれた溶接、最適化された入熱、および計画された溶接順序によって収縮を制御することです。ワークや材質によって最も効果的な組み合わせは異なります。
適切な治具を使用し、大きすぎる溶接を避け、入熱を制御し、手順が許す限り接合部全体に溶接を分散させます。必要な溶接品質を維持し、過度の熱が 1 つの領域に集中するのを避けます。
バックステップ溶接は、全体の進行方向と反対に短い溶接セグメントを堆積することで、適切な用途での歪みを軽減するのに役立ちます。その有効性は、ジョイントの形状、溶接順序、および拘束によって異なります。
バックステップ溶接では、全体の進行方向とは反対に堆積された短いセグメントが使用されます。スキップ溶接では、接合部に沿って所定の間隔でセグメントを堆積します。どちらの手法も溶接収縮の分布の管理に役立ちます。
いいえ、固定具とクランプは動きを制限して位置合わせを維持できますが、熱膨張、収縮、残留応力を除去することはできません。過剰な拘束は、影響を受けやすい材料の亀裂のリスクを高める可能性があります。
いいえ、電流が低いからといって、自動的に入熱が低くなったり、溶接の品質が向上したりするわけではありません。移動速度、電圧、プロセス効率、パス数も重要です。溶接パラメータは適切な溶融を提供し、手順の要件を満たさなければなりません。
中心から外側へのシーケンスは、一部の対称アセンブリには役立ちますが、すべてのジョイントに適しているわけではありません。溶接方向は、形状、拘束、収縮挙動、および承認された手順に従って選択する必要があります。
制御されていない水冷は、一般的に推奨される方法ではありません。急冷すると、特定の材料に好ましくない温度勾配や冶金学的影響が生じる可能性があります。承認された溶接手順で許可されている冷却方法のみを使用してください。
多くのオーステナイト系ステンレス鋼は、炭素鋼よりも熱膨張が高く、熱伝導率が低くなります。これらの特性により、溶接中の局所的な温度差や歪みが増加する可能性があります。
予熱は一部のアプリケーションで温度勾配を軽減できますが、普遍的な歪み制御方法ではありません。その主な目的には、冷却挙動の制御や亀裂のリスクの軽減などが含まれます。予熱要件は材料と溶接手順に基づく必要があります。
一部の歪みは、承認された機械的または熱的矯正方法によって修正できます。ただし、修正を不適切に実行すると、損傷が生じたり、材料特性に影響を与えたりする可能性があります。通常は、予防と早期の寸法モニタリングが望ましいです。
溶接歪みは、局所的な加熱と冷却の結果として予測可能ですが、多くの場合、その影響は適切な製造計画によって制御できます。
6 つの実践的な方法は、溶接歪みを防止するための強力な基盤を提供します。
ワークピースを適切な治具と仮付け溶接で固定します。
予期される収縮を補正するには、プリセットを使用します。
必要に応じて、バックステップ溶接、スキップ溶接、またはバランス溶接を適用します。
入熱を制御し、不要な溶接金属を避けます。
収縮力を管理するために溶接順序を計画します。
材料の正しい冷却手順に従ってください。
薄いシートメタル、ステンレス鋼管、大型フレーム、工業用溶接アセンブリの場合、これらの技術により寸法の一貫性が向上し、コストのかかる再加工が削減されます。
重要なのは、製造後の矯正矯正に依存するのではなく、溶接歪みが発生する前に溶接歪みを制御することです。
適当に組み合わせることで 溶接装置、認定された手順、正確な取り付け、効果的な熱制御により、メーカーはより安定した溶接品質と信頼性の高い生産結果を達成できます。