CN113613407B - 一种cpga器件自动贴装焊接方法 - Google Patents

一种cpga器件自动贴装焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于印制板表面贴装和通孔回流焊技术领域,具体涉及一种CPGA器件自动贴装焊接方法。该方法包含CPGA器件载具设计、焊锡膏涂覆方法、元器件贴装方法。载具设计根据CPGA器件自身的特点,对元器件管脚进行保护,为贴片机提供定位基准,同时保证贴装过程中的贴装精度;焊锡膏涂覆方法,主要通过理论计算,精确控制焊锡膏的体积,以满足焊点焊锡需求;元器件贴装方法主要是保证贴片机能够识别CPGA器件,同时能够将元器件精准贴装到目标位置,实现CPGA器件众多管脚与焊孔的精准装配。该方法理论依据充分、可操作性强,不仅能够为CPGA器件自动贴装和焊接提供可靠的质量保证,同时为其他分立元器件的自动贴装和焊接提供技术参考。

Description

一种CPGA器件自动贴装焊接方法
技术领域
本发明属于印制板表面贴装和通孔回流焊技术领域,具体涉及一种CPGA器件自动贴装焊接方法,该方法涉及器件载具设计和制作、 CPGA器件贴装方法和焊锡膏涂覆方法,适用于CPGA器件自动贴装焊接。
背景技术
CPGA(针栅阵列封装)采用通孔焊接方式,其焊点可靠性优于表面贴装焊点,在航空航天、军用装备等技术领域,CPGA封装形式成为高可靠性信号处理设计的首选封装形式。由于CPGA器件管脚多,存在焊接难度大、焊接周期长、焊接质量一致性差等问题,研究高效高质量的焊接方法是十分必要的。
目前,CPGA器件通常采用的焊装方式为手工焊接或者波峰焊焊接。
手工焊接CPGA器件整体焊接难度较大,对操作人员的要求高,各焊孔焊锡浸润高度各异,焊点一致性和焊接质量难以得到有效保证。波峰焊焊接受板面器件布局影响,对双面布板的电路组件需要制作专用治具或者采用选择性波峰焊焊接,当CPGA器件焊接面管脚与其他元器件距离太小时,就无法采用波峰焊焊接(包括选择性波峰焊)。另外,无论是采用手工焊接或是波峰焊接,都需要在电路组件完成表贴器件焊接后增加一个工序完成CPGA器件装焊,直接导致产品试制周期增加。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是:如何提供一种CPGA器件的自动贴装焊接方法,解决CPGA器件手工焊接难度大,焊接质量无法保证的问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明提供一种CPGA器件自动贴装焊接方法,所述方法应用于CPGA器件,采用表面贴装工艺进行焊锡膏沉积、元器件自动贴装和焊接;
所述自动贴装焊接方法包括如下步骤:
步骤1:针对待处理的CPGA器件的外形特点,根据CPGA器件管脚尺寸,设计载具的基本参数;载具的基本参数包含:用于定位的通孔孔径尺寸和形状,以及用于保护管脚的载具厚度,并设计载具模型;
步骤2:利用PCB制作工艺,运用玻璃纤维布材料,根据载具模型加工CPGA器件的载具;
步骤3:根据通孔焊点模型,计算焊点所需焊锡膏量,结合焊锡膏自身焊接过程中的收缩比,确定印刷过程中钢网厚度、开孔形状及尺寸和印刷工艺参数,以及喷印过程中的喷印次数,采用钢网印刷与喷印结合的混合沉积方法,实现焊锡膏的涂覆;
步骤4:利用载具对器件进行装载和定位,贴片机采用顶部视觉识别与边缘分析法相结合的方法进行贴装定位和自动识别,实现 CPGA器件自动贴装,然后采用回流焊工艺实现CPGA器件的焊接。
其中,所述步骤1中,包含如下步骤:
步骤11:根据CPGA器件外形特点和管脚尺寸,将与针栅阵列对应的通孔阵列作为CPGA器件的装载形式,并确定通孔孔径尺寸和形状、以及通孔阵列的尺寸;
步骤12:根据CPGA器件的管脚支撑高度,设计载具的厚度大于器件管脚支撑高度,以保护元器件管脚不变形,在贴片机吸拾过程中器件管脚不受力;
步骤13:设计载具模型,在载具上按照一定的间隔设计布置相同的通孔阵列,用于多个CPGA器件的装载。
其中,所述步骤13中,运用EDA软件设计载具模型。
其中,所述步骤2中,包含如下步骤:
步骤21:根据通孔阵列的尺寸和精度要求,选用PCB制作工艺作为载具的加工工艺;
步骤22:根据载具使用环境,选用玻璃纤维布作为载具的加工材料;
步骤23:根据载具模型,加工CPGA器件的载具。
其中,所述步骤3中,包含如下步骤:
步骤31:根据通孔焊点模型,计算出通孔焊点焊锡的体积V焊料,近似得到所需的焊锡膏体积;
步骤32:根据通孔焊点所需焊锡膏的体积,其体积远大于单次钢网印刷和单次喷印的焊锡膏体积,所以选用焊锡膏B面单次印刷和A面多次喷印的工艺路线;
步骤33:根据印制板B面引脚间距最小器件以及通孔阵列的尺寸,确定钢网厚度、钢网开孔形状及尺寸;
步骤34:根据通孔焊点所需焊锡膏的体积,以及印制板B面钢网印刷焊锡膏的体积,结合焊锡膏单次喷印体积,计算印制板A面焊锡喷印所需次数;
步骤35:根据钢网印刷工艺要求,确定钢网印刷工艺参数,完成印制板B面焊锡膏印刷;
步骤36:根据焊锡喷印工艺要求,确定焊锡膏喷印工艺参数,完成印制板A面多次喷印,达到通孔焊点的焊锡膏体积要求。
其中,所述步骤31中,所述通孔焊点模型如下:
V焊料=V+V+V-V
其中,V焊料为通孔焊点焊锡的体积;V为印制板A面焊点体积,V为印制板B面焊点体积,V为焊孔内体积,V为焊点内的器件引脚所占体积。
其中,所述印制板A面为印制板上表面;所述印制板B面为与印制板上表面相反的另一面,即印制板下表面。
其中,所述步骤4中,包含如下步骤:
步骤41:将的CPGA器件装载到载具上,将载具固定到贴片机的IC柜中;
步骤42:采用顶部视觉识别与边缘分析法相结合的方法进行贴装定位和自动识别,将CPGA器件贴装到目标电路板板上;
步骤43:采用回流焊工艺实现CPGA器件的回流焊焊接。
其中,所述顶部视觉识别与边缘分析法,是利用贴片机顶部摄像头,识别CPGA器件的外边框,分析获取CPGA器件的边缘部位,并结合载具定位来实行贴装。
其中,所述方法首次在表面贴装工序中实现CPGA器件的自动贴装和焊接,缩短了生产周期,提高了焊接效率和焊接质量。
(三)有益效果
与现有技术相比较,本发明具备如下有益效果:
(1)通过设计制作元器件载具,对CPGA器件在贴片机平台上进行装载、定位、防护。
(2)创新性的采用焊接面印刷与器件面喷印相结合的锡膏沉积方法,保证了通孔焊接的锡量需求;
(3)创新性的采用“边缘分析法”实现插装器件的定位计算,结合通孔阵列载具定位,大幅提升贴装精度,首次实现了643针, 1.27mm引脚间距CPGA器件的自动贴装;
(4)首次在表面贴装工序中实现CPGA器件的自动贴装和焊接,缩短了生产周期,提高了焊接效率和焊接质量。
上述方法有效解决了CPGA元器件的手工焊接时间长、焊接质量不稳定等问题,同时将CPGA元器件手工焊接工序合并到表面贴装工序,缩短生产周期。
通过实验验证,该方法实现了643针CPGA元器件的自动贴装和焊接,通过外观检测和X-Ray检测,焊接质量合格。
该方法具有一定的通用性,可根据不同的分立器件类型,设计相应的元器件定位工装,控制不同元器件所需的焊锡膏量,即可实现不同类型分立元器件的自动贴装和焊接。为将分立元器件与表贴元器件合并为一个工序,缩短生产周期提供可靠的方法。
附图说明
图1为SM9B47外形尺寸示意图。
图2为载具示意图。
图3为器件载具示意图。
图4为理想焊点模型示意图。
图5为焊点参数示意图。
图6为锡膏混合沉积工艺方法流程示意图。
图7(a)-图7(c)为试验效果示意图。
其中,图7(a)为印制板CPGA焊孔;图7(b)为丝网印刷后印制板B面锡膏,图7(c)为喷印后印制板A面锡膏。
图8(a)-图8(b)为贴装工艺方法示意图。
其中,图8(a)为工装治具示意图;图8(b)贴片机视觉识别示意图。
图9(a)-图9(b)为CPGA焊点外观检验示意图。
其中,图9(a)为CPGA印制板A面焊点示意图;图9(b)为CPGA 印制板B面焊点示意图。
图10为CPGA封装器件底部焊点X-Ray检测结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题,本发明提供一种CPGA器件自动贴装焊接方法,所述方法应用于CPGA器件,采用表面贴装工艺进行焊锡膏沉积、元器件自动贴装和焊接;
所述自动贴装焊接方法包括如下步骤:
步骤1:针对待处理的CPGA器件的外形特点,根据CPGA器件管脚尺寸,设计载具的基本参数;载具的基本参数包含:用于定位的通孔孔径尺寸和形状,以及用于保护管脚的载具厚度,并设计载具模型;
步骤2:利用PCB制作工艺,运用玻璃纤维布材料,根据载具模型加工CPGA器件的载具;
步骤3:根据通孔焊点模型,计算焊点所需焊锡膏量,结合焊锡膏自身焊接过程中的收缩比,确定印刷过程中钢网厚度、开孔形状及尺寸和印刷工艺参数,以及喷印过程中的喷印次数,采用钢网印刷与喷印结合的混合沉积方法,实现焊锡膏的涂覆;
步骤4:利用载具对器件进行装载和定位,贴片机采用顶部视觉识别与边缘分析法相结合的方法进行贴装定位和自动识别,实现 CPGA器件自动贴装,然后采用回流焊工艺实现CPGA器件的焊接。
其中,所述步骤1中,包含如下步骤:
步骤11:根据CPGA器件外形特点和管脚尺寸,将与针栅阵列对应的通孔阵列作为CPGA器件的装载形式,并确定通孔孔径尺寸和形状、以及通孔阵列的尺寸;
步骤12:根据CPGA器件的管脚支撑高度,设计载具的厚度大于器件管脚支撑高度,以保护元器件管脚不变形,在贴片机吸拾过程中器件管脚不受力;
步骤13:设计载具模型,在载具上按照一定的间隔设计布置相同的通孔阵列,用于多个CPGA器件的装载。
其中,所述步骤13中,运用EDA软件设计载具模型。
其中,所述步骤2中,包含如下步骤:
步骤21:根据通孔阵列的尺寸和精度要求,选用PCB制作工艺作为载具的加工工艺,其加工精度高;
步骤22:根据载具使用环境,选用玻璃纤维布作为载具的加工材料,材料轻便,常温下不易变形,方便操作;
步骤23:根据载具模型,加工CPGA器件的载具。
其中,所述步骤3中,包含如下步骤:
步骤31:根据通孔焊点模型,计算出通孔焊点焊锡的体积V焊料,近似得到所需的焊锡膏体积;
步骤32:根据通孔焊点所需焊锡膏的体积,其体积远大于单次钢网印刷和单次喷印的焊锡膏体积,所以选用焊锡膏B面单次印刷和A面多次喷印的工艺路线;
步骤33:根据印制板B面引脚间距最小器件以及通孔阵列的尺寸,确定钢网厚度、钢网开孔形状及尺寸;
步骤34:根据通孔焊点所需焊锡膏的体积,以及印制板B面钢网印刷焊锡膏的体积,结合焊锡膏单次喷印体积,计算印制板A面焊锡喷印所需次数;
步骤35:根据钢网印刷工艺要求,确定钢网印刷工艺参数,完成印制板B面焊锡膏印刷;
步骤36:根据焊锡喷印工艺要求,确定焊锡膏喷印工艺参数,完成印制板A面多次喷印,达到通孔焊点的焊锡膏体积要求。
其中,所述步骤31中,所述通孔焊点模型如下:
V焊料=V+V+V-V
其中,V焊料为通孔焊点焊锡的体积;V为印制板A面焊点体积,V为印制板B面焊点体积,V为焊孔内体积,V为焊点内的器件引脚所占体积。
其中,所述印制板A面为印制板上表面;所述印制板B面为与印制板上表面相反的另一面,即印制板下表面。
其中,所述步骤4中,包含如下步骤:
步骤41:将的CPGA器件装载到载具上,将载具固定到贴片机的IC柜中;
步骤42:采用顶部视觉识别与边缘分析法相结合的方法进行贴装定位和自动识别,将CPGA器件贴装到目标电路板板上;
步骤43:采用回流焊工艺实现CPGA器件的回流焊焊接。
其中,所述顶部视觉识别与边缘分析法,是不同于现有技术采用底部摄像头,而是利用贴片机顶部摄像头,识别CPGA器件的外边框,分析获取CPGA器件的边缘部位,并结合载具定位来实行贴装。
其中,所述方法首次在表面贴装工序中实现CPGA器件的自动贴装和焊接,缩短了生产周期,提高了焊接效率和焊接质量。
实施例1
本实施例提供一种CPGA器件自动贴装焊接方法,其包括如下内容:(1)设计专用CPGA器件载具,对元器件进行定位,方便贴片机吸取元器件,且保证元器件管脚不变形。(2)制作专用CPGA器件载具。(3)研究通孔焊盘焊锡膏涂覆方法,以及其所需的焊锡量。(4) 研究贴片机识别CPGA器件的方法。
具体如下:
1、元器件载具设计
载具是为了将元器件在贴片机平台上进行装载、定位、防护。载具设计时,充分考虑元器件自身的特点,该方法研究过程中以643针的CPGA器件SM9B47为分析对象,SM9B47是一款高性能嵌入式 SOPC芯片,其外形尺寸如图1所示。
从图1可以看出,元器件支撑点管脚高度2.5mm,管脚间距1.27mm,管脚直径Φ0.3mm±0.05mm,对表面贴装工艺过程进行分析,载具设计需注意以下要点:1)承载元器件以满足表贴机工艺适应性;
2)载具尺寸规格应与元器件相适应,既要保护器件引脚,避免在贴装过程中出现引脚变形的情况,又要为表贴机贴装提供足够的精度基准,提高一次贴装成功率。因此根据器件外形尺寸,设计专用载具,采用与器件针珊阵列对应的通孔阵列的形式,载具厚度4mm,载具通孔阵列孔径Φ0.5mm±0.05mm,孔间距1.27mm,在EDA软件中设计的载具如图2所示。
2、器件载具制作
由于器件载具需要钻大量的通孔,而且孔径较小,传统的金属机械加工工艺不适合这种载具的加工。玻璃纤维布本身具有一定的刚性,而且易加工,所以选用玻璃纤维布作为载具加工材料,采用印制板加工工艺进行加工,通孔阵列进行金属化处理,制作的器件载具如图3所示。
3、焊锡膏涂覆方法
3.1焊锡量计算
CPGA元器件采用回流焊焊接,最关键的环节是控制焊锡膏的量。对通孔焊接而言,理想的焊点是焊孔内部完全填充焊料,并在表面形成小于30度的润湿角,理想焊点模型如图4所示。
为简化计算假设焊接完成后金属化孔内完全填满焊料,且在印制板A、B两面均形成30°润湿角,忽略焊接圆角,各参数如图5所示。
其中r引脚为引脚半径,r孔为焊孔半径,R焊盘为焊盘最外侧圆环半径,t板厚为印制板厚度,h为印制板表面焊点高度,V为印制板A面焊点体积,V为印制板B面焊点体积,V为焊孔内体积, V引脚为焊点内的器件引脚所占体积,那么锡量计算如下:
r引脚=0.15mm
R焊盘=0.45mm
r=0.25mm
t板厚=2mm
h=(R焊盘-r引线)×tan 30°≈0.1732mm
Figure GDA0003680811770000101
由于焊接时一方面助焊剂和溶剂会受热挥发,另一方面焊粉堆积之后形成的间隙在焊粉融化过程中的塌陷都会造成体积收缩,目前业界普遍认为锡膏经回流焊后体积会收缩50%。
那么为保证焊接质量单个焊孔所需的锡膏量至少为0.67mm3
3.2工艺方法
1)锡膏涂覆工艺路线
锡膏沉积采用丝网印刷和喷印相结合的方法,具体工艺流程如图 6所示。在印制板B面采用丝网印刷工艺,在焊孔上沉积一层焊锡膏,起到“堵孔”的作用,再将印制板翻转,从A面向焊孔内侧喷印焊锡膏。
焊锡膏印刷采用0.15mm厚度的钢网,开孔尺寸为Φ0.95mm,根据行业经验钢网开口面积比可实现80%以上的锡膏脱模,假设锡膏脱模比为80%,其印刷后的焊锡膏体积为:
V=πr2*h*0.8=π*0.4752*0.15*0.8=0.085mm3
还需喷印机补充锡膏量体积为:
V=0.67-0.085=0.585mm3
设置印制板焊孔对应的喷印机单次喷印量为 96.8nL=0.0968mm3,需进行喷印次数6次。
2)锡膏涂覆工艺参数
通过计算,制定该器件锡膏涂覆相应的工艺参数如表1所示,锡膏涂覆后效果如图7(c)所示。
表1锡膏沉积工艺参数
Figure GDA0003680811770000111
4、贴装方法
利用插装器件的自身特点,结合专用的元器件载具,在贴装前确认器件的引脚偏差在可装配范围内。在定位得到保障后,再根据 CPGA元器件外形结构特点,将器件看作为无引脚封装,采用“顶部视觉识别”与“边缘分析法”相结合的方法进行定位和自动识别,确保该元器件的贴装精度。
为避免SM9B47对其他器件贴装造成干涉,设置贴片机塔头在贴装SM9B47时单次仅吸持一个元件,并置后贴装优先级,保证完成其他器件贴装后,再贴装该器件。
采用该方法对643针CPGA元器件的进行自动贴装验证,经过 50余次试贴装试验,一次贴装成功率为100%。
5、焊接效果
整板装焊完成后,采用立体显微镜对各焊点进行外观检验,SM9B47引脚焊点在印制板A、B两面均形成润湿角,焊点一致性较好,无焊接缺陷,焊点外观符合质量要求,如图9(b)所示。对CPGA 底部焊点进行X-Ray检测,检测结果如图10所示焊点饱满无桥连等缺陷。
综上,本发明属于印制板表面贴装和通孔回流焊技术领域,具体涉及一种CPGA器件自动贴装焊接方法,适用于CPGA器件采用焊锡印刷与喷印结合的工艺实现焊锡膏的控制,采用表面贴装工艺完成自动贴装,以及采用回流焊工艺实现CPGA器件的自动焊接。该方法包含CPGA器件载具设计、焊锡膏涂覆方法、元器件贴装方法。载具设计根据CPGA器件自身的特点,对元器件管脚进行保护,为贴片机提供定位基准,同时保证贴装过程中的贴装精度;焊锡膏涂覆方法,主要通过理论计算,精确控制焊锡膏的体积,以满足焊点焊锡需求;元器件贴装方法主要是保证贴片机能够识别CPGA器件,同时能够将元器件精准贴装到目标位置,实现CPGA器件众多管脚与焊孔的精准装配。该方法理论依据充分、可操作性强,不仅能够为 CPGA器件自动贴装和焊接提供可靠的质量保证,同时为其他分立元器件的自动贴装和焊接提供技术参考。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种CPGA器件自动贴装焊接方法,其特征在于,所述方法应用于CPGA器件,采用表面贴装工艺进行焊锡膏沉积、元器件自动贴装和焊接;
所述自动贴装焊接方法包括如下步骤:
步骤1:针对待处理的CPGA器件的外形特点,根据CPGA器件管脚尺寸,设计载具的基本参数;载具的基本参数包含:用于定位的通孔孔径尺寸和形状,以及用于保护管脚的载具厚度,并设计载具模型;
步骤2:利用PCB制作工艺,运用玻璃纤维布材料,根据载具模型加工CPGA器件的载具;
步骤3:根据通孔焊点模型,计算焊点所需焊锡膏量,结合焊锡膏自身焊接过程中的收缩比,确定印刷过程中钢网厚度、开孔形状及尺寸和印刷工艺参数,以及喷印过程中的喷印次数,采用钢网印刷与喷印结合的混合沉积方法,实现焊锡膏的涂覆;
步骤4:利用载具对器件进行装载和定位,贴片机采用顶部视觉识别与边缘分析法相结合的方法进行贴装定位和自动识别,实现CPGA器件自动贴装,然后采用回流焊工艺实现CPGA器件的焊接;
所述步骤1中,包含如下步骤:
步骤11:根据CPGA器件外形特点和管脚尺寸,将与针栅阵列对应的通孔阵列作为CPGA器件的装载形式,并确定通孔孔径尺寸和形状、以及通孔阵列的尺寸;
步骤12:根据CPGA器件的管脚支撑高度,设计载具的厚度大于器件管脚支撑高度,以保护元器件管脚不变形,在贴片机吸拾过程中器件管脚不受力;
步骤13:设计载具模型,在载具上按照一定的间隔设计布置相同的通孔阵列,用于多个CPGA器件的装载;
所述步骤3中,包含如下步骤:
步骤31:根据通孔焊点模型,计算出通孔焊点焊锡的体积V焊料,近似得到所需的焊锡膏体积;
步骤32:根据通孔焊点所需焊锡膏的体积,其体积远大于单次钢网印刷和单次喷印的焊锡膏体积,所以选用焊锡膏B面单次印刷和A面多次喷印的工艺路线;
步骤33:根据印制板B面引脚间距最小器件以及通孔阵列的尺寸,确定钢网厚度、钢网开孔形状及尺寸;
步骤34:根据通孔焊点所需焊锡膏的体积,以及印制板B面钢网印刷焊锡膏的体积,结合焊锡膏单次喷印体积,计算印制板A面焊锡喷印所需次数;
步骤35:根据钢网印刷工艺要求,确定钢网印刷工艺参数,完成印制板B面焊锡膏印刷;
步骤36:根据焊锡喷印工艺要求,确定焊锡膏喷印工艺参数,完成印制板A面多次喷印,达到通孔焊点的焊锡膏体积要求;
所述步骤31中,所述通孔焊点模型如下:
V焊料=V+V+V-V
其中,V焊料为通孔焊点焊锡的体积;V为印制板A面焊点体积,V为印制板B面焊点体积,V为焊孔内体积,V为焊点内的器件引脚所占体积;
所述印制板A面为印制板上表面;所述印制板B面为与印制板上表面相反的另一面,即印制板下表面。
2.如权利要求1所述的CPGA器件自动贴装焊接方法,其特征在于,所述步骤13中,运用EDA软件设计载具模型。
3.如权利要求1所述的CPGA器件自动贴装焊接方法,其特征在于,所述步骤2中,包含如下步骤:
步骤21:根据通孔阵列的尺寸和精度要求,选用PCB制作工艺作为载具的加工工艺;
步骤22:根据载具使用环境,选用玻璃纤维布作为载具的加工材料;
步骤23:根据载具模型,加工CPGA器件的载具。
4.如权利要求1所述的CPGA器件自动贴装焊接方法,其特征在于,所述步骤4中,包含如下步骤:
步骤41:将CPGA器件装载到载具上,将载具固定到贴片机的IC柜中;
步骤42:采用顶部视觉识别与边缘分析法相结合的方法进行贴装定位和自动识别,将CPGA器件贴装到目标电路板板上;
步骤43:采用回流焊工艺实现CPGA器件的回流焊焊接。
5.如权利要求4所述的CPGA器件自动贴装焊接方法,其特征在于,所述顶部视觉识别与边缘分析法,是利用贴片机顶部摄像头,识别CPGA器件的外边框,分析获取CPGA器件的边缘部位,并结合载具定位来实行贴装。
6.如权利要求1所述的CPGA器件自动贴装焊接方法,其特征在于,所述方法首次在表面贴装工序中实现CPGA器件的自动贴装和焊接,缩短了生产周期,提高了焊接效率和焊接质量。
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