- 回首頁
- 機械工業雜誌
- 歷史雜誌
歷史雜誌
購物提醒：當您要離開或跳轉頁面時，請先將您想要購買的文章加入購物車，以便快速紀錄完成購買流程!
摘要
因應人口增長以及生產製造業的蓬勃發展，無論是居住房屋或是廠房擴建的需求皆隨之提高，導致鋼構市場逐年成長，使2034年預期規模達1,800億美元。在此市場驅動力的作用下，再加上全球環保意識的抬頭，各國紛紛制定淨零碳排的政策，其中鋼構業更是首當其衝受到關注的產業之一。為此，雷射銲接新工法成為一項克服產能以及降低碳排放量的解決方案。工研院有感雷銲技術的重要性，邀請台大土木系團隊共同投入H型鋼雷射深銲模擬技術研究，在熔池形貌及銲後金屬晶粒成長模擬的準確度可達80%以上，能有效作為雷射銲接參數決策的初步依據。未來將持續深耕技術導入H型鋼雷銲生產線中，並擴充應用於箱柱型鋼構的製程開發上，以期翻轉傳統鋼構產品高耗能的生產方式，推動建材綠色製造與地球永續發展。
Abstract
In response to population growth and the highly development of manufacturing industrial, there is a huge demand for housing and factory expanding. As a result, the steel structures market is expected to grow to 1.8 billion dollars in 2034. Besides, coupled with rising global environmental awareness and net zero carbon emission policies, the steel industry becomes one of the first areas that is focused. Thus, laser welding technology becomes the one of solutions to overcome capacity and carbon emissions problem. Base on the important of laser welding, ITRI has conducted research on H-beam steel laser welding processes and developed high-power laser deep penetration welding simulation technology with the team from department of civil engineering, National Taiwan University. It achieved 80% accuracy rate of melting pool geometry and grain growth simulation, which can provide a basis for decision-making on laser welding parameters. In the future, this H-beam steel laser welding technology will be applied to production line and extended to box column steel structures manufacturing development. It aims to transform the traditional high-energy consumption production methods in the steel structure industry and promote sustainable development with green architecture.
前言
不論是隨全球人口的持續增加所導致的住宅需求，或是半導體製造業成長下所需的擴廠規劃，均需仰賴鋼構作為其建設的基礎。在趨勢的帶動下，全球結構鋼的市場被預期可於2034年成長至超過1,800億美元的規模[1]，如圖1所示，使該市場在2023至2034的複合年均成長率(CAGR)達到5.2%。其中，亞太地區更是結構鋼的主要銷售市場。從市調資訊顯示，2023年亞太地區的結構鋼市值高達729億美元，佔了全球6成以上的市場[1]，如圖2所示。在龐大的市場需求下，鋼構製造業便面臨到供不應求的市場壓力。再加上環保議題抬頭，國際間開始推動碳定價(Carbon pricing)，使得鋼構業除面臨產能缺口問題之外，更面臨到淨零碳排的衝擊。對此，我國也根據此趨勢擬定碳費的相關法案，高碳排的鋼構業也成為首要節碳的產業。
盤點在生產鋼構的流程後可發現，銲接生產段為鋼構高碳排以及產能難以大幅提升的主要原因。這顯示出傳統銲接生產已難以應對鋼構市場需求的擴大以及在全球淨零碳排的壓力。因此，相關產業開始找尋管道欲幫助鋼構業解決市場供需與生產碳排問題。近年來，雷射因為其高能量密度的特性，雷射銲接技術被評估為改善鋼構銲接的手法之一，並被規劃導入鋼構製造的流程，成為嶄新自動化生產模式。然而過往並無雷銲技術應用於鋼結構上的案例與成品，因此前期研發階段所耗費的時間與成本將成為技術導入產業的嚴重瓶頸。為使開發成本降到最低，加速雷銲鋼構技術的開發。工研院以常見的樑柱鋼骨結構中的h型鋼[2]，作為優先導入目標，h型鋼用梁如圖3所示。開發h型鋼構雷射銲接參數決策系統，幫助雷銲技術開發初期進行預判，省去前期的銲接成本，快速收斂可行參數後再進行品質檢測。
高能雷銲熔池模擬技術
在鎖定h型鋼作為開發首要目標後，為使此參數決策系統能夠有效應用到產品端，將鎖定兩種模擬特徵作為判斷基準。分別是熔池幾何形貌以及銲接後組織再結晶行為。此兩種特徵因與鋼結構所注重的靜態機械強度以及疲勞強度有密不可分的關係，故成為模擬主要比對的依據。模擬預判的系統的技術與成果如下描述:
(1)熔池形貌模擬
在雷射銲接技術中，可分成無填料以及填料兩種。而在建築鋼構的應用裡，因為來料公差較大，且其對結構穩定性及強度有高水準之規範，以面對國內地震頻繁之嚴苛環境。因此選擇雷射填料銲接作為新一世代的建築鋼構製造工法，可確保銲後表面無凹陷，呈現出飽滿的銲道，進而抑制結構受力時於銲接處產生的應力集中，提供較高強度的結構形貌。由此可得知，銲接形貌對於鋼構的生產是主要關注的重點。因此，工研院開發雷射填料銲接預判分析技術，欲協助雷銲製程達到鋼構業品質需求。在此預判技術的開發上，工研院選擇光滑粒子流體動力學方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)作為基礎[3]，將其應用在雷射填料銲接工法。此法與一般開發計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)用的網格法不同，一般的網格法是透過固定的計算網格對流場採離散化處理，每個物理量，如速度、壓力等均透過網格節點間的疊代運算而得；然而在SPh模型設定上，其採用粒子取代傳統的網格建置，以分散的粒子模擬流體行為，不須額外進行自由液面位置的追蹤，在處理流體表面的形貌上較為靈活。因此相較於網格法在處理流體表面的大變形行為更具優勢[4]，如圖4。
更完整的內容歡迎訂購
2025年02月號
(單篇費用：參考材化所定價)