溶接収縮量 計算ツール｜横収縮・縦収縮・角変形の予測と歪み対策の実務

溶接収縮の3種類と予測式

横収縮（Transverse shrinkage・溶接線と直角方向）

Δy ≒ 0.2 × Aw / t + 0.05×t （mm）［Guyot式］

Δy ≒ 0.18 × Q / t （mm）［Watanabe式・略式］

Awは溶着金属断面積(mm²)、Qは入熱量(kJ/mm)、tは板厚(mm)。横収縮は溶接線に直交する方向の縮みで、通常もっとも大きな収縮成分です。突合わせ溶接で0.5〜3mm、すみ肉溶接で0.1〜1mm程度が典型値。

縦収縮（Longitudinal shrinkage・溶接線方向）

Δx ≒ 12 × 10⁻⁶ × Q × L / (t×A) × L （mm）

Lは溶接長、Aは板の断面積。縦収縮は溶接線に沿った方向の縮みで、横収縮の1/10〜1/5程度と小さいものの、長尺材ではmm単位に到達。橋梁桁・船体外板等の長尺構造で顕在化します。

角変形（Angular distortion・面外変形）

θ ≒ K × A_w / t² （rad）［Watanabe式］

K=定数(0.1〜0.15)、A_wは溶着金属断面積。すみ肉・T継手・突合わせV開先で顕在化する面外方向のねじれ・そり変形。1〜5°程度の角変形が発生し、部材端部で数mm〜数十mmの曲がりに拡大します。

継手別収縮係数の早見表（10mm厚・1m溶接目安）

継手種別・溶接方法(SMAW/GMAW/SAW)・入熱量で収縮量は大きく変わります。以下は10mm厚・1m溶接・入熱1.5kJ/mmの目安値。

両面溶接(すみ肉両側・突合わせX開先・T継手両側)は角変形が相殺されるため、精度重視部材では両面溶接が定石。板厚が厚くなるとlog的に収縮量増加します(t=25mmで約1.4倍、t=50mmで約1.8倍)。

入熱量と収縮の関係

入熱量Q(kJ/mm)は、溶接電流I(A)・電圧V(V)・溶接速度v(mm/min)から次式で算定します。

Q = η × I × V × 60 / (v × 1000) （kJ/mm）

η(熱効率)はSMAW 0.75、GMAW/MAG 0.80、SAW 0.90、TIG 0.60が目安。同じ溶接長でも入熱を下げれば収縮も減りますが、溶接欠陥リスクとのバランスが必要です。

低入熱溶接(TIG・レーザー・電子ビーム)は収縮量が小さく、精密機器・薄板・自動車ボディ・航空機構造に採用されます。逆に厚板・高能率のSAWは収縮量が大きく、鉄骨・造船で使用時は歪み対策が特に重要です。

角変形の算定と限界

角変形θは板を挟んだ両側で温度差が生じ、片側だけが先に収縮することで発生します。板厚が薄いほど角変形が顕著。

薄板(6〜12mm)+片側溶接は角変形が顕著で、H形鋼のフランジ・ウェブ溶接、船体外板組立で常に対策が必要です。両面溶接・逆歪み・治具拘束の組合せで管理します。

歪み対策の実務手法

後処理での歪み矯正

溶接後に発生した歪みを機械的・熱的に矯正する手法です。

• プレス矯正 — 油圧プレスで局所的に加圧して歪みを直す。鉄骨梁のそり矯正で標準採用。ただし加圧位置を誤ると新たな残留応力が発生。
• ローラー矯正 — ローラー間に部材を通して連続矯正。H形鋼・鋼板の平坦度確保、圧延所や大手ファブで採用。
• ガス炎矯正（Flame Straightening） — 局所加熱→冷却時の熱収縮で歪みを打ち消す。三角加熱・線状加熱等の手法。加熱温度600〜650℃厳守(それ以上は材質劣化)、鉄骨・造船で熟練工が実施。
• ヒートスリーブ・ヒートストレート — 電気式・誘導加熱式の局所加熱装置で精密矯正。ガス炎より温度制御精密。
• 再溶接（打ち直し） — 歪みが大きく矯正困難な場合、溶接部を切断して再組立・再溶接。工数増だが確実な最終手段。
• 切削・機械加工 — 完成品を機械加工で寸法補正。精密加工品・小型部品で採用。工数コスト大。

業界での適用例

よくある間違い・注意点

• 収縮量を無視した寸法出し — 設計寸法どおりに墨出し・部材切断すると、溶接後に寸法不足となり不良品化。あらかじめ溶接収縮分(0.05〜0.15%)を加算して部材を切り出す運用が必須。
• 片側溶接で角変形を放置 — 片側すみ肉溶接では3〜5°の角変形が必ず発生。片面のみアクセス可能な現場ではプリセッティング(逆歪み)またはガス炎矯正で対処。
• 拘束過剰による残留応力 — 強拘束で歪みを完全抑制すると残留応力が引張強度の50〜80%まで蓄積。厚板・低温靱性要求部材で脆性破壊リスク。応力除去焼鈍(JIS Z 3700)の適用検討。
• 入熱量記録なし — 溶接品質は電流I・電圧V・速度vの3点セットで決まる。実測記録なしでは収縮予測も原因究明も不可能。溶接管理チャートに毎回記入必須。
• ガス炎矯正の温度暴走 — 650℃超で組織変化・材質劣化。SN490YB等の低降伏比鋼材では特に注意。温度チョーク・接触温度計で管理必須。
• 予熱・後熱の省略 — 高炭素当量鋼材(Ceq>0.44%)・厚板(t≧25mm)では予熱・後熱が必須。省略すると低温割れ・遅れ破壊のリスク大。JIS Z 3603準拠。
• 溶接順序の場当たり指示 — 長尺・大型構造では溶接順序が完成寸法を左右。バックステップ法・スキップ法・対称順序の計画的指示が必要。
• SAWの収縮量過小評価 — SAWはSMAWの2〜3倍の入熱で、収縮量も比例して大きい。SMAW用の収縮係数をそのまま流用すると完成寸法不良。

関連する規格・法令

• JASS 6 鉄骨工事 ― 日本建築学会建築工事標準仕様書・鉄骨工事編。溶接品質・歪み許容範囲・工場管理の実務標準。
• JIS Z 3841 ― 半自動溶接技術検定における試験方法及び判定基準。鉄骨溶接技能者評価の日本標準。
• JIS Z 3603 ― 高炭素当量鋼材の予熱管理・低温割れ防止指針。厚板溶接で必須参照。
• JIS Z 3700 ― 溶接後熱処理方法(応力除去焼鈍)。圧力容器・厚板構造で採用。
• JIS Z 3021 ― 溶接記号。設計図面の溶接指示標準。
• AWS D1.1 ― American Welding Society Structural Welding Code — Steel。米国構造溶接コード、国際的にも参照。
• ISO 3834 ― Quality requirements for fusion welding of metallic materials。溶接品質管理の国際基準。
• 建築基準法 溶接基準（告示第1464号） ― 建築構造用鋼材の溶接品質・技能者資格の法令要件。
• 労働安全衛生法 特別教育 ― アーク溶接特別教育、ガス溶接技能講習等の労働安全法定資格。

参考文献・公的資料

溶接収縮予測・歪み対策・品質規格に関しては、以下の公的機関・学会・業界団体の資料を参照してください。

• 日本鋼構造協会（JSSC） ― 鉄骨構造の設計・製作・施工の中核団体。JASS 6・道路橋示方書と連動した実務指針発行。
• 日本溶接協会（JWES） ― 溶接技術・技能者評価・品質管理の国内総本山。溶接技能者検定(JIS Z 3841等)を実施。
• 溶接学会（Japan Welding Society） ― 溶接の学術研究組織。溶接工学ハンドブック・溶接接合便覧の編纂。
• 日本建築学会（AIJ） ― JASS 6鉄骨工事、鋼構造設計規準等の建築構造の権威。
• 日本産業標準調査会（JISC） ― JIS Z 3841・Z 3603・Z 3700等の溶接関連JIS規格の公式索引。
• American Welding Society (AWS) ― AWS D1.1構造溶接コード等、国際的な溶接規格の中核機関。
• International Institute of Welding (IIW) ― 溶接技術の国際協力組織。ISO 3834品質管理規格の策定基盤。
• 日本鉄骨評価センター ― 鉄骨製作工場のFA・Sグレード認定機関。工場品質評価の実施。
• 国土交通省 道路橋示方書 ― 橋梁構造の設計・製作・施工の国土交通省告示基準。
• 厚生労働省 労働安全衛生総合研究所 ― 溶接作業の労働安全・ヒューム対策・特別教育要件。

よくある質問（FAQ）

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