CN115846871A - 一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统及方法,用于实现焊缝宽度窄(≤1.5mm)的焊接,系统包括光路组件、控制组件和运动支撑组件,光路组件和运动支撑组件分别与控制组件相连;光路组件包括半导体激光器、光纤激光器及传输激光束的光学元件;光学元件包括设置在光纤激光传输光路上的XY双摆组件,XY双摆组件将光纤激光束按照预设图形进行摆动,摆动后的光纤激光束与半导体激光器出射的激光束经由分光镜合束后聚焦至待焊工件。本发明通过半导体激光束加热提高铝合金对激光的吸收率,降低光纤激光束的焊接功率,减少焊接热影响区;通过合适摆幅的光纤激光束增加光纤激光束与铝合金的作用时间,使得焊缝能量分布更均匀,更有利于气孔的排出。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接领域,尤其涉及消费电子铝合金结构组件的制造组装,目的在于使用同轴双波段激光束开发高效、可靠的铝合金手机中框组件的焊接方法和系统。
背景技术
铝合金具有质轻、无磁性、耐腐蚀、高导热性、易成型以及比强度高等优点,广泛应用于消费电子、汽车制造、航空航天、新能源锂电等领域,其中金属材质的手机中框大规模使用六系或七系硬质铝合金。
手机中框结构组件主要由铝合金材质的内中板(厚度:0.5~1mm)和外框(厚度:1~1.5mm)组成,内中板和外框上下搭接的区域宽度1.5mm,将内中板和外框进行高强度的自动化搭接焊是智能手机组装制造的重要工序;由于铝合金属于共晶合金,且具有熔沸点和密度较低、线膨胀系数大等物理特性,在使用接触式的弧焊进行铝合金焊接时会出现焊缝尺寸宽、变形大(应力分布不均)、热裂纹、气孔、效率低等缺陷和问题,而单光束激光焊接不能很好的解决焊接功率高带来的飞溅焊渣和热影响区大导致的焊缝边缘硬度下降等问题。
现有技术虽然公开了可以通过双光束焊接提高焊缝质量,如CN108453374A、CN102500919A等,但是存在以下缺陷:①需要较高的激光功率进行预热,而预热的激光功率过高会导致焊缝尺寸过宽,不适用于对焊缝尺寸要求严格的场景;②焊缝热量分布不均匀,不利于气孔的排出。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,本发明提供一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统及方法,用以解决上述至少一个技术问题。
根据本发明说明书的一方面,提供一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,用于实现焊缝宽度窄的焊接需求,所述系统包括光路组件、控制组件和运动支撑组件,所述光路组件和运动支撑组件分别与控制组件相连;所述光路组件包括半导体激光器、光纤激光器及传输激光束的光学元件;所述光学元件包括设置在光纤激光传输光路上的XY双摆组件,所述XY双摆组件将光纤激光束按照预设图形进行摆动,摆动后的光纤激光束与半导体激光器出射的激光束经由分光镜合束后入射至聚焦镜,双光束经由聚焦镜后聚焦至待焊工件进行焊接。
上述技术方案利用半导体激光器出射的激光束实现待焊区域的预热和缓冷,通过半导体激光束加热提高铝合金对激光的吸收率,有效降低光纤激光的焊接功率,减少焊接热影响区,通过缓冷消除残余热应力,有效减少焊接热裂纹;同时,利用XY双摆组件实现激光束在XY方向的摆动偏转,摆动偏转的激光束入射聚焦到待焊工件表面,通过合适摆幅的光纤激光束有效增加了光纤激光束与铝合金的作用时间,使得焊缝能量分布更均匀,更有利于气孔的排出。
进一步地,所述半导体激光器出射的激光束经由第一传输光纤、第一保护镜、第一准直镜入射到第一分光镜,再经由第一分光镜反射至第二分光镜;所述光纤激光器出射的激光经由第二传输光纤、第二保护镜、第二准直镜、XY双摆组件入射至第二分光镜;所述第二分光镜对光纤激光束和半导体激光束合束后,经由聚焦镜入射聚焦到待焊工件表面。
进一步地,所述控制组件包括控制主机,以及分别与控制主机相连的激光控制卡、摆动控制卡、运动控制卡。所述控制主机内置控制软件,用于绘制焊接波形,设定摆动参数、激光焊接参数及运动参数。设置的焊接波形或参数通过控制电路下发到各控制卡,再由控制卡下发信号至对应的激光器、摆动电机或运动轴,实现对待焊工件的焊接。
作为进一步的技术方案,所述XY双摆组件包括X向反射镜片和Y向反射镜片,每一所述反射镜片均连接一摆动电机,所述摆动电机连接控制组件。光纤激光器出射的激光束经过带有摆动电机的X/Y向反射镜片后,到达分光镜片与半导体激光束合束。
可选地,所述XY双摆组件可采用振镜结构实现。
作为进一步的技术方案,合束后的光束入射聚焦至移动的待焊工件上,形成复合摆动焊缝,所述复合摆动焊缝的重叠率由摆动频率和待焊工件的移动速率决定。待焊工件的移动速率等同于运动模组的运动速率。在控制主机侧,可通过控制软件设置摆动频率及移动速率,以确定复合摆动焊缝的重叠率。
作为进一步的技术方案,所述控制组件通过控制软件设置摆动图形、尺寸和电机的摆动频率,并输出摆动电信号至XY双摆组件的电机驱动板,以触发摆动电机按照设置的摆动图形和尺寸带动反射镜片高速摆动。
作为进一步的技术方案,所述半导体激光器为低功率半导体激光器。所述半导体激光器的功率范围在100W~150W之间。通过低功率半导体激光器进行预热,能够避免高功率激光预热带来的焊缝宽度尺寸超标问题。
作为进一步的技术方案,所述焊缝宽度小于等于1.5mm。
作为进一步的技术方案,所述半导体激光器采用900~950nm波段激光器或者800~830nm波段激光器或者400~500nm波段激光器。
基于焊缝宽度需求,所述半导体激光器的光纤芯径限制在150-300μm。
作为进一步的技术方案,所述运动支撑组件包括运动模块和压合治具,所述运动模块带动待焊工件移动,所述压合治具支撑并固定待焊工件。所述运动模块在运动控制卡的控制下,按照预定的轨迹和速度移动,带动待焊工件移动。
可选地,所述运动模块为伺服驱动运动轴装置,伺服电机带动丝杆运动,进而带动固定在滑块上的工件运动,可以实现二维或者三维的运动。
作为进一步的技术方案,所述压合治具内置加热组件。
所述加热组件包括电阻丝、陶瓷等加热部件。通过低功率半导体激光器与加热组件的协同配合,既满足了高效预热,又避免了焊缝宽度过宽的问题。
作为进一步的技术方案,所述系统还包括CCD组件,用于对待焊工件表面进行照明和图像获取。
进一步地,所述CCD组件包括照明模块和成像模块。所述照明模块用于发射可见光至待焊区域,待焊区域反射所述可见光至成像模块,所述成像模块通过接收可见光束进行成像,可实时监视或者定位工件的焊接区域。
根据本发明说明书的一方面,提供一种用于铝合金手机中框组件焊接的方法,采用所述的系统实现,所述方法包括:
将手机的内中板和外框搭接组装成中框组件,水平放置于仿形压合治具上,使所述内中板和外框上下待焊区域贴合并保证工件表面平整,并将装有中框组件的仿形压合治具固定在焊接平台上;
通过光学组件将双激光束合束同轴并聚焦到待焊工件表面;
通过控制组件确保相互独立的双波段激光束同步接收出光信号,光纤激光器出射的激光束按照预设的图形摆动后与半导体激光器出射的激光束合束并入射聚焦到待焊工件表面,按照设定的焊接轨迹和扫描方式,结合运动模块对手机中框组件进行焊接。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明利用半导体激光器出射的激光束实现待焊区域的预热和缓冷,通过半导体激光束加热提高铝合金对激光的吸收率,有效降低光纤激光的焊接功率,减少焊接热影响区,通过缓冷消除残余热应力,有效减少焊接热裂纹;同时,利用XY双摆组件实现激光束在XY方向的摆动偏转,摆动偏转的激光束入射到待焊工件表面,通过合适摆幅的光纤激光束有效增加了光纤激光束与铝合金的作用时间,使得焊缝能量分布更均匀,更有利于气孔的排出。
本发明通过低功率半导体激光器与加热组件的配合,在低的激光功率下实现了待焊区域的预热,既解决了焊接功率高带来的飞溅焊渣和热影响区大导致的焊缝边缘硬度下降等问题,又避免了高激光功率预热导致的焊缝尺寸过宽问题。
本发明通过对待焊区域的预热和缓冷,对焊接激光束的复合摆动,达到了焊接强度高并且外观良好,无明显气孔和裂纹的焊接效果。
附图说明
图1为根据本发明实施例的焊接系统示意图。
图2(a)-(d)为根据本发明实施例的焊接轨迹示意图。
图3为根据本发明实施例的激光束出光时间示意图。
图4为根据本发明实施例的复合摆动焊缝的示意图。
图5为根据本发明实施例的又一焊接系统示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接或可以相互通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,应用于对焊缝宽度要求严格的焊接场景(焊缝宽度小于或等于1.5mm)。该系统为非接触式、良率高、效率高、可与自动化工站进行高度集成的焊接系统,其将两台相互独立不同波段的激光器经过高精度高效的控制系统和光学系统内同轴合束聚焦后应用于铝合金手机中框组件焊接,通过两种激光器的协同配合,不仅焊接强度高,外观良好,无明显气孔和裂纹,还能够大幅度提高生产效率。
所述系统包括光路组件、控制组件和运动支撑组件,所述光路组件和运动支撑组件分别与控制组件相连;所述光路组件包括半导体激光器、光纤激光器及用于传输激光束的光学元件;所述光学元件包括设置在光纤激光器出射光路上的XY双摆组件,所述XY双摆组件将光纤激光器出射的激光束按照预设图形进行摆动,摆动后的激光束与半导体激光器出射的激光束经由分光镜合束后入射聚焦镜,双光束经由聚焦镜后聚焦至待焊工件。
所述半导体激光器用于对待焊工件进行预热和缓冷。可采用900~950nm波段或者800~830nm波段的激光器或者400~500nm波段的激光器实现。这些波段的激光器切换后,通过更换光学系统的镜片镀膜来满足整套光学系统损耗率的要求。
所述900~950nm波段的激光器传输光纤芯径150-300um,其输出平顶光束,可高效预热待焊接区域,提高铝合金对激光的吸收率,有效降低光纤激光束焊接输出功率,减少焊接热影响区。这里采用平顶光束预热,可避免非平顶光束的光束中心功率密度过高所造成的飞溅,保证焊接质量。
所述半导体激光器为低功率半导体激光器,其功率范围可在100W到150W之间,相对于现有采用kW级半导体激光器进行预热的方式而言,能够极大降低高功率预热带来的焊缝宽度过宽问题。
为提高预热效率,可在仿形压合治具内置加热组件,对待焊工件进行加热。通过低功率半导体激光器和加热组件的协同配合,兼顾了预热效率与焊缝要求。
所述光纤激光器采用1060~1090nm波段的激光器,其传输光纤芯径小于25um,输出的激光光束质量高,M2小于1.2。光纤激光束通过X、Y双摆镜片后,输出摆动激光光束进行焊接,确保深熔焊接的“匙孔”状态稳定,焊缝温度分布均匀,避免焊接气孔和裂纹的产生。
所述控制组件包括控制主机,以及分别与控制主机相连的激光控制卡、摆动控制卡、运动控制卡。所述控制主机内置控制软件,用于绘制焊接波形,设定摆动参数、激光焊接参数及运动参数。设置的焊接波形或参数通过控制电路下发到各控制卡,再由控制卡下发信号至对应的激光器、摆动电机或运动轴,实现对待焊工件的焊接。
通过控制软件可设置多种焊接轨迹,如图2(a)-(d)所示,其中大的光斑是半导体激光束轨迹,小的光斑是光纤激光束轨迹。光纤激光束有椭圆、直线、螺旋线和8字形等轨迹,椭圆长短轴尺寸可分别设置,直线的长度和角度均可设置,螺旋线的直径和螺距均可设置,8字形长度和角度均可设置。
进一步地,所述激光控制卡可同步输出出光信号,实现两台及以上激光器激光光束的同时或错时输出,达到预热和缓冷的作用。
如图3所示,半导体激光束与光纤激光束同步出光,但是半导体激光束的持续时间要长于光纤激光束的持续时间。半导体激光束的持续时间具体延迟多少视熔深、焊缝宽度、热影响区的数据等决定。
所述运动支撑组件包括运动模块和压合治具。
所述运动模块为伺服驱动运动轴装置,伺服电机带动丝杆运动,可带动固定在滑块上的工件运动,可以实现二维或者三维的运动。
所述焊接系统可以增加保护气体装置,保护气装置可以是气刀、气嘴或气室。所述干燥保护气体可以是空气、氮气、氩气、二氧化碳、氦气。
作为一种实施方式,如图1所示,所述光学组件包括激光器1、传输光纤1、保护镜1、准直镜1、分光镜1、激光器2、传输光纤2、保护镜2、准直镜2、XY双摆组件、分光镜2、聚焦镜4、待焊工件7、压合治具8、运动模块9、激光控制卡10、摆动控制卡11、工控机12、外控软件13、运动控制卡14。激光器1为900~950nm激光器,激光器2为1060~1090nm激光器。
激光器1产生的激光通过传输光纤1传输到保护镜1,经由保护镜1入射至准直镜1,准直镜1将发散激光光束整形成900~950nm平行激光光束,900~950nm平行激光光束通过准直镜1入射至分光镜1,所述分光镜1能透过900~950nm平行激光光束传输至分光镜2。
激光器2产生的激光通过传输光纤2传输到保护镜2,经由保护镜2入射至准直镜2,准直镜2将发散光束整形成1060~1090nm平行光束,1060~1090nm平行光束通过准直镜2入射至X/Y双摆组件,将1060~1090nm平行光束按照预设图形进行高速偏转;偏转后的1060~1090nm平行光束入射至分光镜2。
所述保护镜1和保护镜2均用于保护准直镜不受污染,方便光纤插拔后清理碎屑和脏污。
所述分光镜2能够将900~950nm平行光束和1060~1090nm平行光束进行合束,合束后的光束入射至聚焦镜4,通过所述聚焦镜4聚焦到待焊接的工件表面。
其中,900~950nm激光光束在整套光路系统的损耗率低于15%,1060~1090nm激光光束在整套光路系统的损耗率低于10%。
所述聚焦镜4可设置聚焦保护镜,平行光束通过聚焦镜入射至聚焦保护镜后,再聚焦到待焊接的工件表面。所述聚焦保护镜可保护聚焦镜不受污染,方便清理飞溅以及脏污。
所述XY双摆组件包括X向反射镜片和Y向反射镜片,每一所述反射镜片均连接一摆动电机,所述摆动电机连接控制组件。光纤激光器出射的激光束经过带有摆动电机的X/Y向反射镜片后,到达分光镜片与半导体激光束合束。
具体来说,在控制端,通过控制软件设定好需要摆动的图形、尺寸以及电机的摆动频率,控制软件按设定指令输出摆动电信号至双摆组件的电机驱动板,电机驱动板接收信号,按预设的摆动图形和尺寸触发电机带动XY反射镜片摆动。同时,运动模组上的工件按照预设的运动轨迹和速度进行移动,半导体激光束与摆动的光纤激光束同步聚焦照射在移动的工件上,形成复合摆动焊缝。
在双摆组件的摆动图形为圆时,双光束复合摆动焊缝如图4所示。
复合摆动焊缝的重叠率受摆动频率和运动模组的速率影响,具体为:
重叠率=[1-V/(f·D)]×100%,
其中V表示负载样件的运动模组的运动速度,f表示摆动频率,D表示沿模组运动方向的摆动尺寸。
可选地,所述XY双摆组件可采用振镜式结构实现。
作为一种实施方式,如图5所示,在原有系统的基础上,增加照明光源6和CCD模块3。所述照明光源6发射400~750nm的可见光束,并照射在待焊工件表面。由于光通量大于50%即可成像,且光通量越大,成像质量越高,因此根据半导体激光器400~500nm或者800~830nm或者900~950nm的波段选择不同波段的可见光光源去成像,使光通量大于等于80%,让成像更清晰,便于监控或者定位待焊区域。
待焊工件表面反射的可见光束经由聚焦镜入射到分光镜2,分光镜2可以透可见光束且透过率达到90%以上,透过的可见光束经由分光镜1反射至CCD模块3,所述CCD模块3接收可见光束进行成像,可实时监视或者定位工件的焊接区域。
所述聚焦镜4下方还串接有单层或双层气刀。所述气刀与聚焦镜上下串联,经由所述聚焦镜输出的光束通过气刀入射至待焊工件表面。
本发明还提供一种焊接方法,包括:
将手机的内中板和外框搭接组装成中框组件,水平放置于仿形压合治具上,使所述内中板和外框上下待焊区域贴合并保证工件表面平整,并将装有中框组件的仿形压合治具固定在焊接平台上;
通过光学组件将双激光束合束同轴并聚焦到待焊工件表面;
通过控制组件确保相互独立的双波段激光束同步接收出光信号,光纤激光器出射的激光束按照预设的图形摆动后与半导体激光器出射的激光束合束并入射聚焦到待焊工件表面,按照设定的焊接轨迹和扫描方式,结合运动模块对手机中框组件进行焊接。
进一步地,焊接过程中可以通入保护气体,包括且不限于氮气、氩气等惰性气体。
进一步地,焊接过程可添加焊料,包括且不限于铝丝、铝粉、铝片等。
实施例1
本实施例以1mm厚度内中板和2mm厚度的外框为例,材质为6系铝合金,焊接区域为160*80mm的矩形,18条线,分段焊接,要求整体焊接强度大于300N,整体熔深1.6mm,焊缝宽度包含热影响区小于1.3mm,焊接效率大于40秒/片,无明显气泡和裂纹。采用915nm半导体激光器(芯径220μm)和1064nm光纤激光器(芯径14μm),摆动方式为0.4mm圆,摆动频率250Hz,半导体激光器焊接功率设置为120W,光纤激光器焊接功率设置为600W,焊接速度设置为40mm/s,按照预设的路径进行焊接。焊接效果如下:整体焊接强度350N,熔深1.62mm,焊缝宽度0.5mm,包含热影响区为1.2mm,焊接效率为35秒/片,并且焊缝表面美观无飞溅,切片无明显气泡和裂纹,满足焊接要求。
实施例2
本实施例以0.8mm厚度内中板和1mm厚度的外框为例,材质为6系铝合金,焊接区域为160*80mm的矩形,18条线,分段焊接,要求整体焊接强度大于200N,整体熔深1.1mm,焊缝宽度包含热影响区小于1.2mm,焊接效率大于40秒/片,无明显气泡和裂纹。采用915nm半导体激光器(芯径220μm)和1064nm光纤激光器(芯径14μm),摆动方式为0.3mm圆,摆动频率350Hz,半导体激光器焊接功率设置为120W,光纤激光器焊接功率设置为440W,焊接速度设置为40mm/s,按照预设的路径进行焊接。焊接效果如下:整体焊接强度300N,熔深1.15mm,焊缝宽度0.4mm,包含热影响区为1.1mm,焊接效率为34秒/片,并且焊缝表面美观无飞溅,切片无明显气泡和裂纹,满足焊接要求。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。
Claims (10)
1.一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,其特征在于,用于实现焊缝宽度窄的焊接,所述系统包括光路组件、控制组件和运动支撑组件,所述光路组件和运动支撑组件分别与控制组件相连;所述光路组件包括半导体激光器、光纤激光器及传输激光束的光学元件;所述光学元件包括设置在光纤激光传输光路上的XY双摆组件,所述XY双摆组件将光纤激光束按照预设图形进行摆动,摆动后的光纤激光束与半导体激光器出射的激光束经由分光镜合束后入射至聚焦镜,双光束经由聚焦镜聚焦至待焊工件。
2.根据权利要求1所述一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,其特征在于,所述XY双摆组件包括X向反射镜片和Y向反射镜片,每一所述反射镜片均连接一摆动电机,所述摆动电机连接控制组件。
3.根据权利要求1所述一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,其特征在于,合束后的双光束经由聚焦镜聚焦至移动的待焊工件上,形成复合摆动焊缝,所述复合摆动焊缝的重叠率由摆动频率和待焊工件的移动速率决定。
4.根据权利要求2所述一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,其特征在于,所述控制组件通过控制软件设置摆动图形、尺寸和电机的摆动频率,并输出摆动电信号至XY双摆组件的电机驱动板,以触发摆动电机按照设置的摆动图形和尺寸带动反射镜片高速摆动。
5.根据权利要求1所述一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,其特征在于,所述半导体激光器为低功率半导体激光器。
6.根据权利要求5所述一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,其特征在于,所述半导体激光器采用900~950nm波段激光器或者800~830nm波段激光器或者400~500nm波段激光器。
7.根据权利要求1所述一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,其特征在于,所述运动支撑组件包括运动模块和压合治具,所述运动模块带动待焊工件移动,所述压合治具支撑并固定待焊工件。
8.根据权利要求7所述一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,其特征在于,所述压合治具内置加热组件。
9.根据权利要求1所述一种用于铝合金手机中框组件焊接的系统,其特征在于,所述系统还包括CCD组件,用于对待焊工件表面进行照明和图像获取。
10.一种用于铝合金手机中框组件焊接的方法,采用权利要求1-9中任一项所述的系统实现,其特征在于,所述方法包括:
将手机的内中板和外框搭接组装成中框组件,水平放置于仿形压合治具上,使所述内中板和外框上下待焊区域贴合并保证工件表面平整,并将装有中框组件的仿形压合治具固定在焊接平台上;
通过光学组件将双激光束合束同轴并聚焦到待焊工件表面;
通过控制组件确保相互独立的双波段激光束同步接收出光信号,光纤激光器出射的激光束按照预设的图形摆动后与半导体激光器出射的激光束合束并入射聚焦到待焊工件表面,按照设定的焊接轨迹和扫描方式,结合运动模块对手机中框组件进行焊接。
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