397期2025年07月號
出版日期：2025/07/15
封面故事 Features
H型鋼雷射銲接創新
撰文／賴宛靖
效率碳排雙突破
利用智慧銲道追蹤系統，受熱的鋼板區域範圍小直接熔融為金屬液體，冷卻後自然接合，是幾乎零耗材、低污染的高效率銲接工法。
傳統H型鋼銲接工法高耗能、製程繁瑣，且嚴重依賴師傅經驗，面臨智慧化瓶頸，產線產能亦受很大限制。工研院突破雷射銲接技術限制，打造出應用於H型鋼的高功率雷射銲接系統，結合數位孿生模擬、智慧銲道追蹤與低氧氣氛控制三大技術，實現高效率、低碳排的新工法，並推動國內CNS標準制定。此一創新成果榮獲傑出研究獎金牌獎肯定。
為確保建築公共安全，H型鋼的銲接長期仰賴資深工匠人力操作，但因作業環境高熱、高風險導致缺工嚴重，加上銲接高度依賴經驗調參，也面臨技術斷層危機。另一方面，傳統潛弧銲接動輒需耗6至8萬瓦電力，為確保鋼板間密合穩固，需反覆填入鐵砂與助銲材熔融堆疊，再依鋼材規格重複上下料與參數調整，整體製程耗時、耗材又高碳排。
「傳統銲一支H型鋼要耗掉130度電，後續處理也很麻煩，高溫銲接易使鋼構變形，需再以熱矯直機調整，而銲後銲道上殘留的鐵砂銲渣也需完全清除，銲渣對環境有害，清除前還需經環保處理，既費工又耗財。不只臺灣，全球都用類似工法在生產。」工研院南分院經理王雍行表示，面對低碳與智慧製造雙重趨勢，業界迫切需要能同時兼顧節能減碳、提升精度與生產效率的創新方案。
工研院投入雷射銲接研發近10年，過往多半應用於薄板類工業金屬，這類尺寸適中、板厚5mm以下的金屬加工製造。「要拿雷射來銲幾公分厚的H型鋼？一開始總覺得有點異想天開。H型鋼的銲接厚度往往高達50至60mm，遠遠超出臺灣當時雷射設備的能力範圍。」王雍行坦言，當時院內最大功率僅6,000瓦，最高只能處理10mm厚材料，遠低於需求。直到台灣光罩欲尋求鋼構製造轉型契機，雙方合作啟動這場大型鋼構雷射銲接的挑戰旅程。
高功率雷射銲接的挑戰就從1.6萬瓦起步，最終逐步擴展至3萬瓦。「第一次使用雷射銲接時，光強刺眼、實驗室濃煙瀰漫，原有的抽氣裝置完全無法應付，雷射鏡片更是當場損毀。」這次挫折讓團隊意識到，要讓雷射真正進入鋼構工業，就得從零打造一整套完整解決方案。
三大技術打造鋼構智慧工藝
為了克服「萬瓦級」雷射銲接挑戰，團隊從三大面向打造完整技術系統。首先是數位孿生模擬系統，團隊蒐集了大量的相關數據建置數位孿生系統，只要輸入H型鋼的尺寸與雷射參數，就能預測銲道深度與寬度，幫助研發人員在實作前先掌握銲接成效，減少雷銲參數調校過程中的裁切、金相觀測次數，更快收斂不同鋼構尺寸下的銲接參數設定。
其次為智慧銲道追蹤系統。由於鋼板又厚又重，出廠尺寸的誤差變異頗大，3塊鋼板組合容易導致雷銲時對位不準的問題。為此，團隊研發即時感測與自動補正系統，透過銲接頭前端的感測器掃描待銲位置，自動修正銲點軌跡，鋼板尺寸誤差在2毫米內皆可即時調整，確保銲道位置準確無誤。搭配雷射的高功率就能一次性將鋼板銲穿，受熱的鋼板區域範圍小直接熔融為金屬液體，冷卻後自然接合，實現幾乎零耗材、低污染的高效率銲接工法，並大幅簡化製程。
第三項技術則是低氧氣氛控制與除煙系統。由於雷射銲接的高能量會讓部分鋼鐵與周遭空氣中的物質瞬間汽化，並產生大量噴濺與煙霧瀰漫擋住雷射光束，也會把銲接區域用來避免銲道氧化的氬氣給稀釋與排擠掉。為此，團隊模擬氣流動線，設計專屬的保護氣體路徑與抽排氣路徑，讓該抽的抽掉、該保護的留下，穩定銲接品質。
生產快、減碳優 引領鋼構新時代
工研院更與台灣光罩攜手打造自動化雷射銲接流程，將三大智慧技術導入，透過數位孿生模擬系統預先決策出銲接參數，並搭配線上即時影像感測與銲道追蹤補償技術，讓雷射能完成鋼構雙邊同時銲接，無須分次從不同角落慢慢銲，一口氣將產速提升5倍、銲接過程中的能耗也大幅降低，製造成本只有傳統工法的三分之二以下，每生產1公噸H型鋼省下130度電，減碳量達52.1公斤（減碳88%）。
不過，要讓業界真正接受這項技術，還得突破缺乏認證標準的障礙，「初期，許多鋼構廠擔心雷射銲接沒有驗證標準，如何確保結構安全無虞、說服客戶採用？」由於傳統銲接認證方式，根據銲接處的填料體積來判斷強度，只要那一塊夠大，就被視為銲得夠牢。「雷射銲接銲材用得省，也就沒有填料體積可供判斷，自然無法套用原本的標準。」
為此，團隊先讓所有雷射銲接測試片按照原有法規依序作拉斷、拉伸、擠壓測試，逐一通過檢驗再找第三方單位「SGS台灣檢驗科技股份有限公司」，協助建立雷射專屬的認證機制，更與銲接協會、標檢局攜手，推動制定全球第一版《雷射銲接標準規範》，且鋼構通過國家地震中心耐久測試，「有了檢驗標準，廠商才敢用，技術才有機會真正落地、開花結果。」這套具備高產速、低碳排、高節能三大優勢的系統，不僅為國內鋼構產業帶來智慧轉型契機，也為全球市場提供低碳高效益鋼構製造之路。
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