溶接C45ブラケット：なぜ粉体塗装が膨れ上がるのか？

溶接されたC45製ブラケットは、支持フレームの図面において最も単純な部品のように見えますが、まさにそのために不具合が発覚するのは非常に遅くなります。2025年8月、ダクトワーク用支持フレームを製造するメーカーから、ジョブ番号260627004の依頼が当社に寄せられました。このメーカーの以前のサプライヤーが納入したアームは、作業台での測定では寸法が問題なく合格していたものの、実際のフレームへの組み込み時に不具合が発生しました。具体的には、バーが溶接作業台から外れた際に約0.6 mmの反りが生じ、ソケット面が直角を保たず、アームが平らに座らない状態になっていました。さらに、使用開始後数週間以内に、すべての溶接部に沿って薄い線状のライトグレーの粉体塗装が剥離しました。

写真に写っている溶接済みC45ブラケットは、その後発注された量産品です。仕様は以下の通りです：長さ400 mmのバーに等間隔で3つの取付穴を設け、一方の端には50 mm角のソケットを溶接し、バーとソケットの接合部は45度のミッターカットで接合し、面取りして平滑に仕上げ、全体を薄いグレーで塗装しています。溶接も塗装も、単体では特に難しい工程ではありません。しかし、この2つの工程が互いに干渉し合い、その影響が最終的な塗装面——つまり購入者が最初に目にする部分——に明確に現れるため、難易度が高くなります。

このブラケットにはどのような役割がありますか？

3つの機能があり、そのうち強度に関係するのは1つだけです。

ソケットは位置決め用の特徴形状です。これに嵌合する正方形断面の部材が挿入され、アームがフレームに対して正確な位置関係を保って立ち上がるようにします。そのため、ソケットの表面は真直で正方形であり、かつ塗装済みである必要があります。本部品のソケットは中空の正方形断面で、外形寸法は50 mm角、深さ50 mmであり、バーの端部に溶接されています。

バーは固定部品を保持します。バーには等間隔で3つの穴が開いており、アームをフレームに固定するための締結具を取り付けます。このため、これらの穴は単に加工されたままのバーの直線上にあるだけではなく、ソケットの位置と正確に一致していなければなりません。

この継手は見た目にも機能的であると同時に、構造的にも重要です。面取り（ミッテング）された継手により、溶接部の長さが延びて荷重が分散され、バーからソケットへの移行部が、溶接部を平滑に研磨・塗装した後に連続した外観を実現できます。この「見た目の要件」こそが、単なる溶接の問題を、最終的な塗装の問題へと変える要因です。つまり、完全に密閉されていない表面は、どこまでもシームレスな仕上がりにはならず、溶接部内に残ったガスが塗装面を透過して抜け出てしまうのです。

同時に発生する2つの不具合

溶接による収縮でバーが引っ張られ、その変形は目立たないまま残る

溶接は、鋼材の小さな体積に集中した熱を供給します。溶融池およびその周辺部は、より低温の金属に対して冷却・収縮し、塑性変形を起こす金属がその応力に耐えきれなくなります。片側のみにアームを溶接した場合、収縮によりバーは溶接面側へ引き寄せられ、拘束がわずかでも400 mmの軽量断面部では目視で確認できる程度の湾曲が生じます。

この現象は、一見したよりも深刻です。第一に、バーは長さに対して細長いため、わずかな収縮でも自由端で大きなたわみとして現れます。第二に、自然冷却は左右対称ではなく、継手の両側が異なる量だけ収縮するため、ソケット面が傾斜します。実際の破損事例では、アームの湾曲量は許容直線度公差0.2 mmに対し約0.6 mmに達し、またフレームが許容するソケット面の直角度公差0.15 mmを超える傾斜が確認されました。

この不具合がこれほど見つけにくい理由は、測定方法にあります。溶接作業者は継手部のみを確認しますが、顧客はアーム全体の寸法を測定します。部品が冷却された後、直進性は表面プレート上でダイヤルインジケータを用いて全長にわたって検査する必要があります。また、同一の測定セットアップで、ソケット面が同じ基準面に対して直角であることも確認しなければなりません。もし検査が継手部のみで行われた場合、アームをボルトで取り付けられるまで湾曲は検出できません。

塗膜が、溶接部にちょうど一直線に盛り上がっています

粉体塗装は密閉された膜であり、溶接部の上に形成された密閉膜は、容器の蓋のように振る舞います。

アーク溶接では、溶接部およびその周辺に気孔が生じ、それらは薄い酸化皮膜およびスラグ層の下に存在します。ブラスト処理により、この表層は除去され、表面の気孔が開口しますが、気孔内部は空洞のまま残ります。つまり、気孔内には大気中の空気や湿気、軽質炭化水素、さらにはブラスト処理自体によって導入された水分などがそのまま閉じ込められた状態になります。硬化工程では、被塗物と塗膜の両方が加熱され、塗膜は架橋する前に軟化します。この時点で塗膜下で膨張したガスは、塗膜を貫通して抜け出し、結果として溶接線に沿ってピンホールや小さなブリスター、あるいはそれらが輪状に並んだ欠陥が発生します。

そのため、この欠陥はランダムではなく、溶接線に沿った直線状に現れます。これは、溶接部のみが表面下に空隙を有する部分であるためです。また、粉体塗料のメーカーを変更しても、別のサプライヤーがこの問題を解決できない理由でもあります。原因は塗膜ではなく、その下に閉じ込められたガスなのです。

この問題を適切に解決するには、2つの対策が必要です。まず、塗装前に溶接部を加熱処理（ベーキング）することで、溶接部内部に閉じ込められた水分や軽質炭化水素を、鋼材表面がまだ無塗装の状態のうちに除去します。次に、最も多孔質な溶接ライン部に対して粉体塗装を2度行い、膜厚を標準値よりも厚くすることで、欠陥を防ぎます。これらの対策をいずれかでも省略すると、欠陥は単にロット間で移行するだけになります。

アームの組立手順（ステップ・バイ・ステップ）

ステップ1：バーの切断と継手部の面取り

バーは両端を直角に切り、全長400 mmに仕上げます。また、継手部は45度で面取りします。このきれいな面取り面が、次の工程を可能にします。つまり、2つの不一致した面を溶接熱で密着させる必要があるのですが、その熱こそが部品を変形させる原因となるのです。

ステップ2：矯正治具を用いた仮溶接

両部品を、バーをまっすぐに保ち、ソケットを直角に位置づける治具にセットし、継手部を仮溶接します。仮溶接は継手の両側に施し、部品を治具から外す前に十分に冷却させます。これにより、本溶接を行う前に、部品の形状を確実に固定できます。

ステップ3：バランスの取れた順序で溶接

部品の周囲を一気に溶接するのではなく、対向する両側を交互にパスごとに溶接します。このように溶接順序をバランスよく行うことで、収縮がほぼ左右対称になり、ソケット面が直角に保たれ、バーがまっすぐ維持されます。ミッターギャップ部分は完全貫通溶接とし、見える側のみの溶接では荷重時に開口してしまうためです。

ステップ4：冷却後、直進性および直角性を確認

部品が温かいうちは一切測定しません。各アームを室温まで十分に冷却した後、検査台（サーフェスプレート）に載せ、バー長手方向の直進性およびソケット面の直角性を確認します。直進性が0.2 mm以内、ソケット面の直角性が0.15 mm以内に収まらない部品は、この段階で再加工または廃棄します。この時点でまだ素地鋼材の状態であるため、再加工に要する時間はわずか1分程度であり、部品単位でのコスト増にはなりません。

ステップ5：溶接部を面取り（フラッシュ研削）

溶接部は周囲の表面と齐平になるよう研磨され、継手の角は滑らかに処理され、コーティング面に付着したスパッタはすべて除去されます。研磨は単なる外観改善のためだけではなく、盛り上がったビード（溶接盛り）はその根元に空気を閉じ込めやすく、また、ビードの突出部を覆う塗膜は端部で薄くなり、凹部で厚くなるという問題を引き起こします。

ステップ6：Sa 2.5のブラスト処理

部品全体をSa 2.5レベルまでブラスト処理します。これにより、圧延スケール、錆、溶接酸化皮膜が除去されるとともに、溶接部表面の微細な孔が開き、次の工程がその孔に対して効果的に作用できるようになります。

ステップ7：180℃で20分間の予備加熱

ブラスト処理後の部品は、粉体塗装を施す前に180℃で20分間加熱します。この加熱により、まだ裸の状態にある溶接部の微細な孔に含まれる水分や軽質炭化水素が排出され、ボイド（膨れ）の発生メカニズムを根本から除去します。また、この加熱工程はブラスト処理の後に実施しなければならない理由は、ブラスト処理によって表面に再び水分が導入され、かつ、前工程で加熱により脱湿されていた孔が再び開くためです。

ステップ8 - コーティング後、190℃で15分間加熱固化。溶接部には2回目のコーティングを実施

粉末塗装はライトグレー（RAL 7035）で、膜厚65～80 µmで施行し、190℃で15分間加熱固化します。溶接部には2回目の塗装を施し、最も多孔質な領域の膜厚を公差上限まで確保します（公称値にとどめません）。

最終検査では、膜厚、ISO 2409に準拠した付着性、および各溶接部のピンホールやブリスターの有無を詳細に確認します。合格品は、輸送中に塗装面同士が擦れないよう適切に梱包されます。

600個ロットでの実測結果

チェック	仕様	600本のアーム全体で保持された寸法
バー全長における直線度	0.2mm	冷却後、いずれの部品も公差限界を超えていません
ソケット面の直角度	0.15ミリメートル	すべてのアームについて、表面プレート上で測定された値
斜め継ぎ手部の溶接	完全貫通、地面と同一面	コーティング部に目立つビードがなく、地面と同一面
ブラスト清掃度	Sa 2.5	各ロットをオーブンに入れる前に確認済み
事前加熱	180℃で20分間	コーティング前に各アームに適用
フィルム厚さ	65～80 µm	バンド内（溶接部の2回目通過を含む）
密着性	ISO 2409に準拠したグリッドテスト（GT0）	溶接部におけるクロスハッチ試験で達成済み
塩水噴霧	中性塩水噴霧試験480時間後、膨れなし	溶接部において膨れの報告なし
溶接部にピンホールが発生	一切認めない	最終検査で確認された不良はゼロ

上記工程で600本のアームを出荷。顧客より、アームはフレーム上に完全に平らに設置でき、使用中に溶接部にコーティング不良は一切見られなかったとの報告を受けています。

自社による試験運転で当社が発見した不具合

50個の試作品では溶接形状による不良は発生しませんでした。不良の原因は工程順序にあり、その順序は当社が定めたものでした。

50本のアームのうち9本が硬化後に、溶接部に沿って微細な膨れの線が現れました。粉体塗料・膜厚・オーブン温度には問題がありませんでした。脱気のための予備加熱を、サンドブラストの前ではなく後に行うべきところを、当社は「予備加熱は溶接工程の一部である」と判断し、他の溶接工程と同様にサンドブラスト前に実施しました。その結果、サンドブラストによって、先ほど脱気で除去した表面および微細孔内の水分が再び付着し、その後の硬化工程で膨れが発生したのです。

対策として、デガスベイク工程をブラスト処理の後に移動させ、またブラスト処理済み部品を塗装まで工場内の空気から遮断した状態で保管するようにしました。試験段階から量産段階へ移行する間に、この不良は完全に解消され、粉末塗料・膜厚・硬化条件のいずれも変更せずに達成されました。

このプロセスを仕様化する際の重要な教訓は、溶接と塗装が同一工場内で行われるからといって、互いに独立した工程ではないという点です。両工程は、塗膜が溶接部を覆った際にその内部に残る物質という、共通の変数を共有しています。

溶接鋼板の塗装前処理：4つの方法を比較

準備	除去対象	溶接部におけるピンホール発生リスク	密着性	適用箇所
脱脂後、直ちに塗装	油分およびハンドリングによる汚染のみ	高リスク。気孔内にはガスや水分が残留したまま	溶接部への適用性が低く、溶接線付近で塗膜が浮き上がる	塗装領域に溶接部のない滑らかな部品
サンドブラストでSa2.5まで処理後、塗装	ミルスケール、錆、溶接酸化皮膜を除去し、表面の微細な孔を開放	中～高程度の粗さ。孔が開いたままでも内部に気体が残留する可能性あり	健全な金属表面には良好だが、孔隙部では塗膜が薄くなる	乾燥した屋内環境で使用される単純な溶接部品
サンドブラスト後、180℃で脱ガス焼き付けを行い、その後塗装	上記に加え、孔隙部に含まれる水分および軽質炭化水素も除去	低	溶接部（溶接線）を含め、全体的に良好	湿気のある環境や屋外で使用される溶接部品に適用される工程（本手順）
サンドブラスト → リン酸処理 → 脱ガス焼き付け → 塗装	上記に加え、鋼材表面に変換処理層を形成	低	最も優れた選択肢であり、切断面の保護にも有効	塩水飛沫、結露、またはエッジ部の摩耗が発生する部位

第4の選択肢は部品単価が高くなりますが、アームが屋外や洗浄エリアで使用される場合に適した正解です。室内用フレーム構造では、通常第3の選択肢で十分であり、どちらの選択肢も、焼付工程が製造工程内で適切な位置に配置されていることに依存します。

よくある質問

なぜ粉体塗装が溶接部に沿って線状にブリスター（膨れ）を生じるのですか？

溶接部だけが、その下に空隙を含む表面部分であるためです。溶接により、空気・水分・軽質炭化水素が混入した微小な気孔（ポロシティ）が残り、塗膜は硬化温度に達する前にその上を覆ってしまいます。塗膜は架橋反応を起こす前に軟化するため、膨張したガスが塗膜を押し破り、ランダムではなく溶接ラインに沿ってピンホールやブリスターを生じさせます。

塗装後に溶接歪みを修正することは可能ですか？

いいえ。コーティング済み部品を矯正すると、顧客が最も注目する箇所でフィルムが損傷します。また、矯正に用いる熱によってフィルムやその下の接着層も劣化します。歪みは、コーティング前に治具を用いた溶接（バランスの取れた順序で行う）および部品を常温まで冷却した後の直進性・直角性の確認によって除去します。

溶接部は粉体塗装前に研磨する必要がありますか？

機能面では必ずしも必要ではありませんが、外観上見える溶接継手については研磨すべきです。研磨しないビードは突出しており、その根元に空気が滞留し、結果としてフィルムが薄くなったり中空になったりします。また、ビードの存在自体が「溶接後そのままの状態で出荷された」という印象を与えてしまいます。本部品では、ミッターカットによる継手がコーティング下で連続した一体的な表面に見えるよう、溶接部をフラッシュ（面一）に研磨しています。

溶接部における塗膜密着性をどのように検査しますか？

フィルムを溶接部および隣接する鋼材に貫通するように格子状（クロスハッチ）に切り込みを入れ、ISO 2409に準拠したテープ剥離試験を実施し、その結果を評価します。平滑な金属面ではなく、あえて溶接部で試験を行うのがこの方法の本質です。平滑部では、ほぼどんな表面処理でも合格してしまう一方、剥離不良はまず溶接線から現れます。本注文品では、溶接線の評価結果は「Gt0」でした。

図面に記載すべき事項

図面に以下の6項目を明記すれば、ほとんどの議論を未然に防げます：

1．棒材の全長に対する直進性を、基準面を明示した上で数値で指定します。単に「良質な仕上げ」というような作業者向けの注意書きでは不十分です。

2．ソケット面の直角度を、直進性と同一の基準面を用いて数値で指定します。

3．継手溶接部の研削仕上げ（フラッシュ研削）の有無、および溶接後そのままの状態を維持すべき部位を明記します。

4．サンドブラスト処理の等級（ブラストグレード）を明記し、塗装前の脱ガス焼き付け（デガスベイク）の実施有無を明記します。

5．色の基準、塗膜厚の許容範囲（バンド）、および許容する付着性の等級を明記します。

6. ソケットの内側にも外側と同じフィルム被覆が必要かどうかを明記してください。内側を全厚さまでコーティングすると、ソケットに挿入される部品の適合性が変化します。

溶接アームは、関節部・熱処理・コーティングという3つの工程が重ねられた構造であり、各工程が下位の工程の効果を打ち消す可能性があります。これらを1つの連続した工程として仕様に明記すれば、部品は標準的な製造で対応可能です。つまり、まっすぐなバー、平らに座るソケット、そして数年間にわたり溶接部に沿って滑らかさを保つコーティングです。