扮演建築要角的H型鋼構，傳統使用電弧銲的人工銲接方式，不但費時費力，也極度耗能，還要處理大量廢棄物，無法有效提升產能。工研院與台灣光罩攜手打造「H型鋼構低碳自動生產製造技術」，一次解決多項產業痛點，榮獲愛迪生獎銀牌獎肯定。
由三片鋼板組成的H型鋼構，是鋼構市場約占4至5成需求的主流產品，傳統以電弧人工銲接，生產效率低且碳排高。工研院和台灣光罩合作開發「H型鋼構低碳自動生產製造技術」，運用自動化雷射銲接，將關鍵產速提升5倍，製造成本降至傳統工法三分之一，每生產1公噸的H型鋼更可降低80%的碳排量，兼具高產速、低碳排、高省電三大優勢。
工研院南分院執行長曹芳海表示，工研院在雷射銲接其實練兵已久，最早應用於電動車電池模組封裝，有天台灣光罩前來詢問工研院能否將雷射銲接技術應用在鋼構上，這才開啟了雙方合作的契機。
只是為什麼1家半導體光罩業者要跨足鋼構銲接？台灣光罩營運長黃郁斌回憶道，2021年COVID-19疫情期間，廠房興建需求激增，鋼構市場供不應求，「台灣光罩自身也要興建廠房，發現鋼構的交期甚至長達1年以上，這引起了我們的好奇」。
台灣光罩看到鋼構產業缺產能的問題，希望引進新的工法來幫助提升產能。黃郁斌表示，作為半導體公司，台灣光罩在智慧化生產和自動化運營方面非常熟悉，希望能將這些經驗應用到鋼構產業，協助建立新的生產方式，因此找上了工研院。
對工研院來說，這是全新挑戰。雖然院內有雷射銲接技術，但要銲接鋼構卻是完全不一樣的事。曹芳海解釋，電池模組的金屬厚度僅1.5至2mm，但鋼構鋼板厚達20至50mm，1支H型鋼更重達1噸以上，在雷射能量或參數設定上有極大差異，「已經超出我們既有的經驗範圍。」
傳統銲接三大痛點 全人工生產不易
團隊從頭開始，深入了解鋼構產業，發現傳統銲接方式有三大痛點。首先，傳統銲接按全球法規標準「必須人工」，由於銲接工藝發展於百年前，不管是鐵橋或建築都與公共安全高度相關，當時認為只有工匠才有能力處理，法規便沿用至今。也因為全人工，相對產能也大幅受限，加上高熱、危險的工作環境，招募不易，也面臨缺工問題；銲接還非常仰賴老師傅經驗調整參數，未來當老師傅退休後，恐面臨經驗斷層問題。
第二，傳統銲接熱輸入量極大，所需電功率高達6至8萬瓦，不僅高度耗能，步驟也繁瑣，比如將鐵砂填在鋼板銜接的開槽空間中、以熔融鐵砂的「填料」步驟達到銲接強度，在銲接時還需反覆進行；不同規格的H型鋼，又要花時間重新上下料、調整參數。
第三，後置處理成本高。因為熱輸入量極大，加上製造時間長，鋼板溫度差距大，自然產生變形，最後要用機械方式絞直；為了修飾鋼構表面，銲後銲道的多餘鐵砂也需刮除，這些都是有害廢棄物，也需二次處理才行。
搭配數位孿生、智慧銲道追蹤 全球首創全自動雷射銲接
為了解決這些問題，團隊設計一套自動化流程，運用智慧化處理入料、雷射銲接、出料與輸送，「整個過程完全自動化！」再加上雷射能量集中、密度高，能快速穿透材料，製作過程不需填料，完成後材料不會變形，也無熔渣廢料，省去許多繁瑣步驟，成功讓產速提升5倍，而雷射功率僅需2至3萬瓦，也節省高達80%碳排。
這套自動化流程甚至推動產業標準革新。過去國內從未有自動化雷射銲接法規，為此台灣光罩與銲接協會及產官學研專家共同討論，花了近2年時間，成功推動由標檢局制定新的雷射銲接程序及檢驗標準，於2024年10月正式頒布，使臺灣成為全球首個擁有此標準的國家。
傳統銲接參數仰賴老師傅經驗，工研院開發數位孿生模型，可依材料狀況模擬雷射銲接所需參數，並預測銲後形貌及強度，再搭配線上即時感測系統，智慧監控影像、溫度及銲道追蹤補償等技術，確保品質穩定。
搞定軟體後，還有硬體問題。原先工研院在實驗室的雷射設備功率只有6千瓦，一般商用雷射機台也只到1萬瓦左右，但銲接鋼構卻需要2至3萬瓦，這麼大能量的雷射設備，不只臺灣沒有，就連全世界能否找到都是未知。團隊最終找到美國供應商客製機台，並克服導入與自動化整合的挑戰，成功打造全自動生產線。
推廣8成鋼構市場的全新減碳節能方案
雙方合作已邁入第4年，生產的H型鋼構已通過SGS及國家地震中心驗證，截至目前實際量產已超過2,000公噸。黃郁斌肯定這項技術突破，不僅節能環保、提升生產效率，更獲得產官研各界支持，為產業升級奠定基礎。先前台灣光罩已在公司內部成立鋼構銲接的專責單位，預計未來將會獨立成立子公司，今年底也將建立第二條自動化產線，並和傳統的鋼構公司合作新的雷射銲接鋼構量產，鎖定另一種鋼構產品「BOX型鋼構」，BOX型鋼構在臺灣約有3成市場，加上原先H型鋼構的5成市場，未來期待技轉給更多的鋼構公司，讓未來的鋼構生產技術升級，商機可期。
（本文由工業技術與資訊授權轉載）
