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雷射綠智造築夢鋼構新思維

雷射

刊登日期：2024/02/01

前言

相信許多人都無法將半導體起家的台灣光罩公司與鋼構生產聯想在一起，這源至於3年前台灣光罩的一段擴廠規劃開始。台灣光罩近年來隨著擴廠規劃發現到國際鋼構市場的供需不對等，現有鋼構產能完全無法滿足臺灣市場，並從中發現鋼構市場未來具龐大的潛力。因此台灣光罩嘗試以半導體的製造思維跨入鋼構生產領域，欲以智慧化、自動化及低碳排的新製造工法打造全新的建築鋼構生產體系。台灣光罩發現，既有的鋼構製造產能瓶頸在於銲接工序上，因此為打通此關鍵瓶頸，光罩集團研擬並籌建3萬瓦雷射銲接加工系統以及打造頂尖雷銲研發團隊，結合產、官、學、研共同發展全新思維雷射銲接鋼構新工法。目前已在H型鋼構上取得初步產業驗證，並展開H型鋼構雷銲智動化示範產線的建置。放眼未來，除H型鋼構示範產線的落地生產，台灣光罩也將積極延伸雷射銲接觸角至箱柱型(Box)鋼構上，使臺灣鋼構生產製造領域能有大面向的升級翻轉，在大幅提升產能的同時兼顧大量製造碳排的降低，藉此營造臺灣的綠色永續未來。

從半導體跨足鋼構領域的契機與產業趨勢

世界經濟體系隨著國際間局勢動盪及疫情時代出現週期性的變化，近年來臺商企業為了避免中美貿易戰與新冠疫情影響，許多臺商選擇回臺投資，面對全球供應鏈重整，政府推動臺商產線回流與國內產業升級，許多指標大廠爭相積極建廠辦，而都市更新包含危樓重建與國家前瞻建設持續發展，導致鋼構市場供不應求，全臺鋼構需求約140萬噸，實際產能僅僅一半。除國內市場有鋼構生產迫切需求之外，全球市場方面，結構鋼市場的年複合成長率約5%，預估2030年有望達到1,500億美元。在龐大的市場成長與國內建築鋼構市場持續供不應求的情況之下，國內鋼鐵廠，如長榮鋼、中鋼構四年來獲利總成長達到45%以上，如圖1所示，顯示出鋼構仍屬高成長產業。

近年來台灣光罩因應原半導體客戶開發產品持續有產能需求，決定將既有廠區擴充。興建新廠房時，發現到在鋼構市場的供需不對等的情況下，供應商需耗費整整三年的時間才能提供鋼構材料，於此契機下促使台灣光罩展開多角化經營，跨足鋼構、儲能及自動化領域，深耕營造市場。除了致力解決國內各大鋼構廠逐漸產生供不應求的情形，同時尋求高自動化的機會降低鋼構廠的人力需求，解決未來面臨的缺工問題。

除了本國產業擴廠需求外，隨著全球人口不斷增加，聯合國預測2030年全球人口將達85億，面對人口增長將衍生出住宅建築的市場需求，建築與基礎建設持續蓬勃發展。隨著城市化推進與現有建築翻新的需求增加，鋼構產品的需求也日益增長。而臺灣位處全球供應鏈重要地位，同時仰賴半導體市場發展，相關科學園區積極擴大產能興建新廠，各式型鋼應用需求劇增。其中又因臺灣積極推動能源轉型和環保措施，為鋼構產業開拓嶄新市場，帶來新效益，也大幅提高鋼構的需求量，例如，太陽能發電廠、風力發電廠和其他可再生能源設施需要鋼構產品來支撐和承載設備。鋼構的生產需求將不僅侷限在臺灣市場，國際上的各個地區都將會是未來的銷售版圖。

目前鋼構產業供應鏈因上述市場需求擴大，導致單量供不應求，而現有鋼構製程較仰賴傳統人力銲接且遭遇銲工短缺問題，生產不易，期望於鋼構產業建立一套高度智慧化、自動化的銲接解決方案，改善市場供不應求問題，促使鋼構產業可以更滿足使用者需求，提升競爭力，開拓新市場，此為目前鋼構業首要達成之目標。

(a) (b)

圖1市場趨勢(a)國外鋼構市場產業趨勢與(b)國內鋼構市場獲利成長趨勢

頂尖雷射銲接工具與破壞式新思維的激盪

近年由於全球暖化問題帶動的節能減碳議題逐漸發酵，2015年聯合國氣候峰會已通過「巴黎協定」，目標2100年限制氣溫升溫1.5˚C以內，直接對應到各國的碳排放量限制，未來節能減碳將成為工業發展的重要議題。臺灣於2023年1月通過「氣候變遷因應法」，明訂2050年淨零碳排，啟動碳費徵收措施。節能減碳是未來重要趨勢，臺灣金屬製造業又屬高耗能產業，製造技術升級轉型勢在必行。在傳統鋼構製造方面，採用的主要工法為電弧銲、潛弧銲等銲接技術，屬於高耗能產業。加工過程中除因高熱輸入量容易伴隨產生大量燻煙、噴濺物，對環境與作業人員不友善外，其加工精密度不佳，多依賴工作人員經驗進行，在人員方面將面臨缺工瓶頸；此外，在傳統工法上為達到規定的機械強度，需填入大量銲材進而墊高製造成本。高功率雷射加工技術發展日新月異，萬瓦等級的雷射源與加工頭皆已開發純熟販售，應用領域逐漸由薄板加工擴大到厚板加工，大大增加泛用性。雷射加工技術具備能量集中，可銲接深度達1英吋以上，高於潛弧銲數倍，且熱輸入量比潛弧銲低很多，約可節省80%的能量，預估可減碳70%，符合國際節能減碳政策與趨勢。雷射技術另有高精密度、易自動化整合的特性，深具導入鋼構自動化製造之潛力，若能有效整合自動化設備，除可替代傳統高耗能、高汙染的製造工法外，亦能降低製造技術的高依賴人力程度。除了建築用鋼構可雷銲技術導入之外，石化管件、造船業、甚至海上風電水下基座等領域均適合臺灣將雷銲技術應用其中，預估市場產值千億以上，可帶動國內金屬製造技術升級，緩解缺工問題，開拓產業價值，並提早佈局節能減碳關鍵製造技術。

台灣光罩近年結合工研院，投入建築用鋼構設備與技術開發，建置臺灣首部H型鋼構自動化雷射送線銲接設備系統，配備3萬瓦光纖雷射源、萬瓦級雷射銲接頭，結合銲道追蹤與自動校正路徑系統，已可針對H型鋼構進行雷射填料全滲透銲接樣品的製造與驗證。傳統H型鋼構採用潛弧銲工法，無法達到全滲透銲接，其以電渣填料接合腹板和翼板(H型鋼構其中兩片板材的專有名詞)，雖屬於可靠的銲接工法，但需要很大的熱輸入量易造成工件變形，常需後處理工序配合熱整形修復，造成生產過程碳排嚴重；電渣銲的表面生成物質屬於汙染廢棄物，清運處理過程更加重碳排量。創新的H型鋼構高效全滲透雷射銲接技術，以破壞式創新的思維，完全捨棄既有銲接工法與工序，採用雙邊同時雷射銲接H型鋼構兩側，達到板厚1英吋以上全滲透銲接，如圖2所示。目前已經第三方公證單位SGS公司進行非破壞性檢驗(超音波檢驗，UT；液滲檢驗，PT)、破壞性檢驗(拉伸測試)通過，皆可達CNS6185規範之規格，如圖3所示，並通過與國家地震工程研究中心之長度5米H型鋼構疲勞強度檢測標準，如圖4所示，顯示雷銲樣品已能符合產業所需之品檢規範。由於建築用法規尚未建立相關鋼構雷射銲接標準規範，急需結合各界力量共同投入，使鋼構雷銲技術在未來產業應用法規上更為健全。