Konflikt Wełczewa z ministrem wojny Wyłkowem doprowadził do ponownego usunięcia w 1928 Wełczewa z armii i objęcia go nadzorem wywiadu wojskowego. W tym czasie Wełczew zajął się tworzeniem nielegalnych struktur Związku Wojskowego, a także studiowaniem prawa na uniwersytecie sofijskim. Studia ukończył w 1932, ale nie podjął pracy w zawodzie prawnika, utrzymując się z działalności rentierskiej.
W 1934 należał do organizatorów zamachu stanu, po jego sukcesie ograniczył się do pełnienia funkcji sekretarza Związku Wojskowego. W 1935 został wydalony z kraju. Wyjechał do Jugosławii, skąd powrócił nielegalnie do kraju i stanął przed sądem. W 1936 skazany na karę śmierci za udział w spisku, wkrótce potem wyrok zamieniono na karę dożywotniego pozbawienia wolności. Opuścił więzienie w roku 1940, w wyniku amnestii.