高頻逆變直流點焊機對于非接觸式智能卡生產(chǎn)線焊接技術(shù)的改進作用
提要
采用UNITEK公司提供的HF25型電流發(fā)生器（我司精源牌焊接電源單輸出和雙輸出也已給國內(nèi)幾大自動化廠商提供配套www.gzbe.net）進行非接觸式智能卡的焊接。調(diào)試過程中使用臺灣飛信半導(dǎo)體生產(chǎn)的鍍銀銅質(zhì)芯片，線圈型號為38.00awg,直徑0.1mm，焊片采用航天工業(yè)總公司北京通大高技術(shù)公司生產(chǎn)的國內(nèi)焊片，焊接機為美國太平洋航空技術(shù)有限公司（AMPAC）生產(chǎn)。壓力值50psi——80psi,雙脈沖電阻焊中第一、第二脈沖分別為恒定功率和恒定電壓模式，連續(xù)焊接焊點不合格率在0.5%左右（潔凈度影響）。拉力試驗、彎扭試驗等均達國際標(biāo)準(zhǔn)。該項技術(shù)已經(jīng)穩(wěn)定運行并已投入正式生產(chǎn)。
一．前言
近年來，隨著信息產(chǎn)業(yè)部“金卡工程”的實施，在全國范圍內(nèi)迅速掀起了智能卡生產(chǎn)、讀寫器設(shè)計制造、系統(tǒng)集成的開發(fā)應(yīng)用等等熱潮。各種卡片的投入，不僅在使用中極大的方便了用戶，提高了工作效率，而且從某種意義上，卡片將在未來的幾年里，逐步在網(wǎng)絡(luò)、電子商務(wù)等高科技領(lǐng)域擔(dān)任重要的角色。而在這一系列的研究和開發(fā)中，尤其值得注意的，就是非接觸智能卡生產(chǎn)線的投入。
目前國內(nèi)非接觸式智能卡的生產(chǎn)仍處于一個較為尷尬的局面，。一方面，在使用過程中，與接觸式卡相比，非接觸式卡的方便性、高效性和保密性等等優(yōu)勢正在逐步體現(xiàn)出來；而另一方面，困擾非接觸式卡片推廣的各種因素也制約了它的發(fā)展，如在某些行業(yè)如銀行、電力、超市等，接觸式卡基礎(chǔ)設(shè)施的投入規(guī)模較大且日漸成熟，非接觸式智能卡的介入有很大的困難。其他象非接觸式芯片生產(chǎn)廠家少，難以保證生產(chǎn)數(shù)量；雙界面卡幾乎同時與非接觸卡出現(xiàn)，并肩發(fā)展等等，都使得非接觸式智能卡的發(fā)展受到制約和挑戰(zhàn)。但是隨著人民生活水平和質(zhì)量的不斷提高，人們對關(guān)系到自己日常生活的各方面方便性和高效性將會提出越來越高的要求，基于此種因素，非接觸式卡片的發(fā)展應(yīng)該說符合當(dāng)前的形勢要求。（我司精源牌焊接電源單輸出和雙輸出也已給國內(nèi)幾大自動化廠商提供配套www.gzbe.net）
二．工藝介紹
非接觸式智能卡的生產(chǎn)，目前主要有沖孔、填裝、埋線、焊接、層壓和沖卡等六道工序。而在這六道工序中，尤其重要的，就是焊接工序，焊接工序擔(dān)負著從導(dǎo)線、芯片和PVC位置的立體布置完成（沖孔、填裝和埋線工序），到PVC熱壓將卡片完全封裝保護起來（層壓工序）的銜接任務(wù)，這個銜接任務(wù)，就是既將導(dǎo)線和芯片牢固可靠的連接起來，使芯片能夠有效的和外界實現(xiàn)交易和通話；又不能使芯片和PVC出現(xiàn)過大的變形，以免影響層壓工序，對芯片的表面質(zhì)量造成影響。同時，焊接環(huán)節(jié)也是最容易受之前工序影響的工序。而在具體生產(chǎn)過程中，一方面要求焊接效果要好，另一方面還要求盡量的降低焊片的磨損，以達到降低原材料消耗的目的。一般影響焊接效果和焊片磨損程度的因素，主要是焊接壓力、焊接時間、焊接參數(shù)的類型、大小和這幾個因素之間的相互配合，以及工件的潔凈度等等。
三．試驗原理
1．焊接壓力
焊接時的壓力是影響焊接效果的一個很重要的因素，在焊片從剛剛使用到結(jié)束使用的整個過程中，焊接壓力的具體數(shù)值也不同。當(dāng)一個新焊片剛開始使用時，由于焊片的電阻比較小，電流通過電流通路產(chǎn)生的熱量也比較小，這時選用較高一些的壓力值會得到比較滿意的效果；當(dāng)焊片經(jīng)一定時間的使用后到達焊片的使用末期，此時因為焊片的電阻隨著溫度的升高而變大，如果還是采用比較高的壓力參數(shù)，那么將會造成芯片的變形過大，甚至造成導(dǎo)線被壓斷的情況出現(xiàn)，同時還會對焊片造成較大的磨損。所以此時益采用較小的壓力參數(shù)來完成焊接。同時再具體結(jié)合芯片金屬部分使用的材料和導(dǎo)線具體的不同型號，整個過程中的壓力參數(shù)一般在80psi—50psi之間即可。
2． 焊接時間與焊接參數(shù)的選用
焊接時間的選用與焊接參數(shù)類型、大小的選用有十分密切的關(guān)系，所以，在此將這三種因素合在一起闡述。
A．焊接參數(shù)類型?，F(xiàn)在非接觸式智能卡生產(chǎn)過程中所使用的焊接，一般都是雙脈沖電阻焊。即將數(shù)量受控制的電流通過兩部分壓合在一起的金屬，并在接面處產(chǎn)生熱量。第一個脈沖的任務(wù)是利用產(chǎn)生的熱量將導(dǎo)線表面的電鍍層和氧化物燒掉，第二個脈沖的任務(wù)是將導(dǎo)線和芯片的金屬部分熱壓在一起。產(chǎn)生熱量的多少可由以下公式表現(xiàn)：
Q=I²Rt
其中：Q為產(chǎn)生的熱量，單位焦?fàn)枺?/div>
I為焊接電流，單位安培；
R為工件電阻，單位歐姆；
t為電流通過時間，單位秒。
a.第一個脈沖。
現(xiàn)今國內(nèi)對非接觸式智能卡的焊接參數(shù)，多采用電流恒定的反饋模式。筆者在具體生產(chǎn)過程中通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，選取參數(shù)的形式應(yīng)根據(jù)不同的焊接情況采用不同的反饋模式，而不可拘泥與一種。在雙脈沖電阻焊的應(yīng)用中，因為第一個脈沖的主要任務(wù)是將漆包線外面的電鍍層和氧化物燒掉，那么在這段過程中電流發(fā)生器所探測到的電阻數(shù)值有一個較大的變化，大體如圖一所示。
圖一.第一個焊接脈沖過程中焊接電阻的變化
在這個具體的變化過程中，由于熱量的增加，將導(dǎo)致漆包線上的電鍍層逐漸被破壞，當(dāng)漆包線與焊頭接觸的部分（稱為上部）的電鍍層被燒開，電流發(fā)生器此時探測到的為焊頭部分與導(dǎo)線部分并聯(lián)的電阻；隨著過程的深入，漆包線與芯片接觸的部分（稱為下部）的電鍍層被燒開，此時電流發(fā)生器探測到的為焊頭、導(dǎo)線和芯片共同并聯(lián)的電阻。由于擊穿漆包線上部絕緣層之后到擊穿漆包線下部絕緣層之間的時間非常短暫（即上圖過渡時間），所以也可以將上圖理解為一條平滑下降的曲線。同時，由于漆包線的圓形截面受壓力發(fā)生變化，也會造成電阻的降低。如圖二所示。
（我司精源牌焊接電源單輸出和雙輸出也已給國內(nèi)幾大自動化廠商提供配套www.gzbe.net）
由于焊頭部分電阻變化較大，此時若采用電流恒定的反饋方式，由以上公式我們不難發(fā)現(xiàn)，由于電流恒定不變，而電阻卻有一個較大的變化過程，那么這個過程中得到的熱量將是很不穩(wěn)定的，且呈下降趨勢。由于熱量的不斷下降，很容易造成電鍍層燃燒不充分，對焊接的牢固性和可靠性造成影響。同時，當(dāng)氧化較嚴重或電鍍層較厚時，此時采用恒定電流模式，電源將電壓提升到很高以獲取初始電流，電流的快速輸入以及同時較高的電壓很可能引起爆焊。如果采用恒定電壓模式，雖然可以解決由于電阻變化而造成對熱量方面的影響，但是在焊接圓形工件時，電壓達不到擊穿厚的氧化層或電鍍層所需要的值。如果是新芯片和薄電鍍層的漆包線還可以，但是在具體的生產(chǎn)中，如果因為特殊原因使得芯片在空氣中暴露時間過長，或者選用的漆包線電鍍層過厚或不均勻，那么電壓就很難達到要求了。而采用恒定功率方式則會避免這種情況出現(xiàn)。首先恒定功率保證了I²R乘積的不變，從而使得產(chǎn)生的熱量保持恒定，可以有持續(xù)和充足的熱量來處理氧化層和電鍍層；其次，恒定功率模式還可以有效的防止爆焊。功率是電流和電壓的乘積，當(dāng)采用恒定功率模式焊接時，電壓最初很高，因為電流被電鍍層和氧化層的高電阻限制的很??；當(dāng)氧化層消失或絕緣層被擊穿時，通過的電流增多，而電壓隨之降低。電壓和電流不會同時達到最高值，則避免了爆焊。所以采用恒定功率模式，在去除氧化層，擊穿電鍍層，建立電流通路方面更加安全和方便。
b.第二個脈沖。
第二個脈沖的主要任務(wù)，是將燒去電鍍層的導(dǎo)線和芯片的金屬部分焊接在一起，建立起芯片和外界通話的渠道；同時又要考慮到不能讓芯片出現(xiàn)較大的變形，以免對下一道層壓工序造成影響。在芯片的焊接過程中，由于焊頭、導(dǎo)線與芯片金屬部分吸收熱量不斷增加，使得金屬的電阻也隨之增加。由公式Q=I²Rt可以看出，如果此時采用恒定電流模式，金屬電阻的增加又進一步使得熱量增大，造成了焊接過程中電阻與熱量的相互促進的現(xiàn)象，熱量越來越大，則會造成焊接強度過大、芯片出現(xiàn)異常變形的結(jié)果。采用恒定電流模式的解決辦法，只有利用人工來將電流調(diào)小，以達到降低熱量的目的，增加了勞動強度。如果繼續(xù)象第一個脈沖一樣采用恒定功率模式自然也可以，仍由公式Q=I²Rt可知，由于I²R乘積的不變，可以維持整個Q值的不變，即熱量恒定。但是這種不變卻沒有改變由于溫度升高帶來的R的升高，為了維持功率不變，只有靠電流發(fā)生器自己不斷降低電流，提升電壓來實現(xiàn)，整個系統(tǒng)處在一個開環(huán)控制系統(tǒng)中，使得R、I、U都處于一個單向發(fā)展的情況下。
此時如果采用恒定電壓模式則完全不同了。由Q=U²/R·t可得到，。整個系統(tǒng)處于一個自我調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中。這不僅僅使得系統(tǒng)穩(wěn)定了許多，遏制了焊頭電阻的不斷升高，延長了焊片的使用壽命；而且在具體的生產(chǎn)過程
中，大大降低了人工調(diào)節(jié)的頻度，減少了工人的勞動量。
B．焊接參數(shù)的大小和焊接時間。
選定焊接參數(shù)的類型固然十分重要，而在焊接參數(shù)應(yīng)用時，焊接時間和焊接參數(shù)的大小選擇也時影響焊接質(zhì)量和焊片壽命的重要因素。在整訂時間時，首先要明確雙脈沖圖形中各段的作用。如圖三所示。
明確了各時間段的作用，還要知道，當(dāng)電鍍層被擊穿后，僅僅是金屬與金屬之間的焊接時（一般為銅和鍍銀銅或銅和含金銅），需要的熱量并不是太多。熱量大部分用于將電鍍層擊穿和燒掉氧化層。所以，第一個脈沖中發(fā)出的熱量將會遠遠大于第二個脈沖的熱量。那么在第一個脈沖完成之后的冷卻時間就顯得尤其重要，適當(dāng)?shù)难娱L冷卻時間，對延長焊片的使用壽命有非常重要的作用（即適當(dāng)延長上圖中5的時間）。其他各段的時間，依據(jù)不同的參數(shù)值來具體選擇，可以利用在顯微鏡下觀察的方法來獲取具體值，在這里不再贅述。需要指出的是，在每個脈沖到達恒定值之前，必須要有一定的上升時間，否則由于焊片接受熱量過快，很容易造成爆焊。
UNITEK提供的HF25型的電流發(fā)生器內(nèi)部裝有檢測裝置，用于觀測在雙脈沖過程中的電流、電壓、電阻的變化情況。第一個脈沖過程中的電流波形最初應(yīng)很低，之后顯著上升，逐漸變成水平。若電流波形上升太快或出現(xiàn)爆焊，則須將功率降低；若電流未升到足夠大，則須調(diào)大功率。當(dāng)電流波形恰好到達水平時，此時的功率也就是我們想要的恒定功率值。可以經(jīng)過簡單的計算得出功率的范圍值。在此過程中也可使用觀察法，即當(dāng)?shù)谝粋€脈沖發(fā)生完之后，在顯微鏡下觀察，如果漆包線電鍍層燃燒或液體流走不充分，則將功率升高（或時間延長）；如果漆包線電鍍層燃燒過大使得PVC變色，或芯片出現(xiàn)較大變形，則將功率降低（或時間縮短）。第二個脈沖值可用同一個參考值（如電流或電壓）與第一個脈沖相比較，大小與第一個脈沖基本相同即可，經(jīng)簡單計算即可得出。時間可以是第一個脈沖的1/3即可。
需要注意的是，在第一個脈沖過程中，由于在焊接過程中焊片溫度的升高，使得焊片電阻也隨之升高，此時觀察焊接時的火花，如果過大，可將功率適當(dāng)調(diào)小，一片焊片大約須十幾個參數(shù)；而第二個脈沖由于可以實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，則不須頻繁下調(diào)，只須兩、三個參數(shù)即可。
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四．具體參數(shù)
由以上原則得到的參數(shù)舉例如下：
以上參數(shù)為焊片到達使用中期時的穩(wěn)定參數(shù)，可以作為較經(jīng)典的參數(shù)值。
具體的參數(shù)選擇第一個脈沖為0.080KW——0.055KW范圍內(nèi)，根據(jù)不同的焊接對象和焊接時間選擇幾個或十幾個不同的值即可。第二個脈沖則由0.600V——0.500V之間，由于它的自我調(diào)節(jié)的功能，選擇兩、三個值即可。壓力的選擇主要以芯片變形的程度和拉力試驗為依據(jù)。時間段的選擇可與參數(shù)值大小的選擇相互配合，當(dāng)然，由于焊片、漆包線或芯片的材料變化，也要相應(yīng)的變化參數(shù)值。一般在檢測出工件電阻值之后，依據(jù)U=IR、I=U/R、W=I²R=U²/R等幾個經(jīng)典公式即可得出參數(shù)范圍，再經(jīng)簡單試驗，配合觀察法和拉力試驗即可得出具體值。在這里不再詳細闡述。
以上參數(shù)已經(jīng)筆者大量的實驗證明了它的可靠性，并且已經(jīng)被某非接觸式智能卡廠家使用到正式生產(chǎn)中，一片焊片從新投入到使用結(jié)束只須幾組或十幾組參數(shù)就可以完成，大大降低了工人的勞動強度。焊點絕大多數(shù)可以達到100克力以上，而且尤其重要的是，此種參數(shù)的使用，大大延長了焊片的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。用國內(nèi)生產(chǎn)的焊片一般都可以達到每片焊接7000張卡片，與一般成型的參數(shù)相比，在相同焊片的情況下，接近雙倍的焊接能力。當(dāng)然，焊片的使用壽命與平時操作工人的維護也有很大關(guān)系，筆者在某工廠調(diào)試參數(shù)時，曾經(jīng)見到由兩名操作工人用以上的參數(shù)操作，用一片焊片焊接了9600張卡片，而且焊接拉力抽檢符合正常的生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)。但是經(jīng)筆者觀察，焊點的面積明顯小了許多（焊片打磨氧化層及正常磨損的原因），所以建議使用以上參數(shù)時，以7000張做為焊片極限即可。
五．焊接過程中應(yīng)注意的事項
當(dāng)然，參數(shù)的選定固然重要，在具體生產(chǎn)過程中的操作也會對焊接成功率造成影響。在這里簡單提幾點注意事項：
1. 盡量防止因芯片的缺少或擺放不正造成焊片與PVC或Platen的直接接觸放熱；
2. 打磨焊片不宜過于頻繁，一般以焊接200張卡片打磨一次即可；
3. 焊接完成后的PVC中張在交接過程、運輸過程或做試驗過程中，必須嚴格保持水平，以防焊點崩裂；
4. 嚴格控制焊接前各工序的操作，避免因芯片上雜物過多或漆包線擺放不正而造成的焊接失??；
5. 當(dāng)一片新的焊片投入使用時，安裝過程中盡量保證焊片底部與Platen保持水平，且注意焊片兩側(cè)受力均勻。
這幾點注意事項只是為了避免在生產(chǎn)過程中因人為因素出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，與參數(shù)本身沒有關(guān)系。（我司精源牌焊接電源單輸出和雙輸出也已給國內(nèi)幾大自動化廠商提供配套www.gzbe.net）
總之，利用以上原則所獲得的焊接參數(shù)，在焊接質(zhì)量、操作的方便性、可靠性以及延長焊片使用壽命、降低焊片使用數(shù)量方面，都可以達到一個非常滿意的效果。
以上所闡述的焊接參數(shù)只是筆者在使用UNITEK提供的HF25型電流發(fā)生器時偶有所得，在此提出與大家交流。對于HF25型電流發(fā)生器來說，應(yīng)該還有更多更方便的功能可以開發(fā)和利用。相信在非接觸式智能卡業(yè)的同仁們會有更加豐富和權(quán)威的經(jīng)驗，希望能夠得到大家的批評和指教。也相信經(jīng)過我們的努力，將會有更多更先進的技術(shù)革新出現(xiàn)在非接觸式智能卡甚至雙界面卡的生產(chǎn)過程中。
注：現(xiàn)在我司的精源牌焊接電源（電流發(fā)生器）可以采取“III--恒電流”、“UUU--恒電壓”、“PPP--恒功率”、“WWW--定脈寬”等幾種方式，現(xiàn)在國內(nèi)自動化廠商更多采取“WWW--定脈寬”方式實現(xiàn)，能夠很好控制，也有采取“UUU--恒電壓”實現(xiàn)。詳細問題請咨詢我司鄧工--13560411768.
型號
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JYD-005S
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JYD-01S
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JYD-02S
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JYD－03S
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輸入電壓（V）
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220V
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220V
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220V
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220V
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負載持續(xù)率（％）
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10
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10
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10
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10
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額定功率(kVA)
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2
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4
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6
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10
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最大輸出電流(DCA)
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500
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1000
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2000
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3000
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逆變頻率(kHz)
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4
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4
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4
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4
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焊接循環(huán)時段
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10
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10
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10
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10
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焊接脈沖數(shù)
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3
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3
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3
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3
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電流緩升緩降控制
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有
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有
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有
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有
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存儲焊接規(guī)范數(shù)
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4組
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4組
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4組
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4組
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外形尺寸(mm)(L*B*H)
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320*220*340
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430*300*250
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430*300*250
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430*300*250
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重量(kg)
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13
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15
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20
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22
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◆雙輸出，雙啟動，兩個焊點快速切換；
◆一個電源，兩點焊接，節(jié)約成本；
◆適用于智能卡等行業(yè)同時焊接兩個點以上的行業(yè)；
◆具有逆變電阻焊電源的各種優(yōu)點。
