CN102072794A - 模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特性的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特性的检测方法，属于一种激光焊接过程中焊接小孔内压力检测方法。该方法利用推导出的等离子体压力P与等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e的关系式，通过采集激光深熔焊接过程中焊接小孔内等离子体光信号计算出等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e，并由T_e、n_e计算出等离子体压力P。本发明利用透镜成像放大原理，将激光深熔焊接小孔放大，实现了焊接小孔内不同点的等离子体压力P的实时同步检测。主要适用于激光深熔焊接过程中焊接小孔内压力的获取；焊接小孔内压力在小孔深度和小孔径向的分布特性获取；随焊接过程的进行焊接小孔内压力随时间变化的特性获取。

Description

模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特性的检测方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接过程中焊接小孔内压力的检查方法，具体为一种模拟激光深熔焊接过程中焊接小孔内压力及其特性的检测方法。

背景技术

激光深熔焊接过程中，材料剧烈气化产生的压力将熔融材料抛出，形成焊接小孔，进入小孔的激光束通过孔壁的多次反射而几乎被完全吸收。在激光深熔焊接过程中焊接小孔的稳定形成对激光焊接过程的稳定进行和激光能量吸收非常重要，同时小孔的深度决定了焊接过程的熔透深度。激光深熔焊接时焊接小孔的动态稳定是由小孔内各种力的动态平衡决定，各种力包括表面张力、蒸汽压力、烧蚀压力、静压力、等离子体压力等。在激光深熔焊接中，只有当小孔内的各种压力达到动态平衡，才能形成动态稳定的焊接小孔进而得到动态稳定的焊接过程；焊接小孔内任何某种力的扰动都会破坏小孔的动态稳定使得焊接过程波动降低焊接质量。由此可知对激光深熔焊接小孔内压力的研究对保持稳定的焊接过程至关重要。国内外对激光焊接小孔内压力的研究较少。其中，TKlein等人从理论分析了激光深熔焊接小孔波动的数学模型，分析了在忽略等离子体时焊接小孔的压力平衡由表面张力、烧蚀压力、蒸气压力组成，其中烧蚀压力、蒸气压力与温度(此处温度对应于能量)相关，任一压力和能量的扰动都会引起小孔的不稳定。Z

等人引用T Klein的小孔压力平衡理论并在其的基础上增加了熔池液体的静压力和辅助气体压力，分析了小孔压力平衡理论。同时，文中采用麦克风采集焊接过程中由小孔内压力变化产生压力波进而形成的声波信号，研究了焊接过程中与小孔压力波动对应的声信号波动特性。国内的刘京雷等人试验采集了激光深熔焊接过程中的声信号，分析了信号与焊缝熔深的相关性。

但是现有的文献中仍然没有直接检测焊接小孔内的实际压力大小，而只是对与压力特性相关的声信号特性进行研究。另外对焊接过程中的压力检测，亦没有文献报道精确定位检测焊接小孔内外的压力信号分布。因此，本发明提出通过检测深熔焊接小孔内的等离子体光信号间接计算得出小孔内等离子体压力，并设计了一种等离子体光信号检测装置，以精确采集焊接小孔内不同位置的等离子体光信号，从而得到焊接小孔内的等离子体压力分布。

目前国内外对激光深熔焊接小孔内等离子体光信号的检测主要有以下方法：公开号为CN201096521的“非接触式等离子体温度和电子密度测量装置”专利中提供的通过光纤测量单点温度的测量方法。公开号为CN101387559的“光致等离子体温度空间分布的探测装置及探测方法”专利中采用多通道光纤近距离采集焊接小孔内等离子体光信号。中国工程物理研究所研制的一个以光纤作为接受、传输光能的六通道光学温度计，用于研究冲击加载下材料的辐射性能。国外报道了采用光学多通道分析仪(OMA)来测量等离子体温度的方法，它主要由光栅分光得到一束单色光，每次只能得到一个波长下的谱线。同样有国外文献报道了采用光电传感器从小孔上方不同倾斜角度采集等离子体光信号并通过相应处理得到不同深度的等离子体光信号。但是以上各方法在信号采集定位精度上都有一定误差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特性的检测方法，该方法只需要采集激光深熔焊接过程中小孔内等离子体光信号计算出等离子体的电子温度和密度，便可得出等离子体的压力的方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特性的检测方法，其特点是：

(a)、检测装置的组成：所述检测装置包括透镜、传导光纤、固定该传导光纤的光纤固定装置、采集该传导光纤传导出的光信号的光谱采集系统；所述光谱采集系统包括与传导光纤输出端相连的光谱分析仪，与该光谱分析仪输出端相连的电脑；

待检测的金属片与至少一层GG17玻璃固定在一起，激光沿金属片的上表面扫描，激光焊接金属片产生的等离子体辐射光从焊接小孔的一侧或两侧透过GG17玻璃透射出来，由所述检测装置采集等离子体光信号；在焊接过程等离子体光信号实时检测过程中，所述透镜、传导光纤固定端和激光束的相对位置保持不变；

(b)、检测方法：首先通过所述检测装置采集激光深熔焊接过程中焊接小孔内等离子体光信号，由光信号计算出等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e，然后根据在局部热力学平衡假设条件下和现有理论基础上推导出的等离子体压力P与等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e的关系表达式得出小孔内等离子体压力P；

$p=[{2n}_e+n_e^2\·\frac{g_0}{{2g}_1}\·{\left(\frac{{2\mathrm{\πm}}_{e}k{T}_e}{h^2}\right)}^{-\frac{3}{2}}\·\exp \left(\frac{E_i}{{\mathrm{kT}}_e}\right)]\·{\mathrm{kT}}_e$

其中，p为等离子体压力，单位为Pa；m_e为电子质量，其值为9.110×10^-31kg；h为Planck常数，其值为6.626×10^-34Js；E_i为中性原子的电离能；k为Boltzmann常数；T_e为等离子体电子温度；g₁是高能级统计权重；g₀是低能级统计权重；n_e为等离子体电子密度。

本发明中所述透镜为放大透镜，放大透镜用于放大焊接小孔，对透镜要求在波长为250nm-600nm内的透光率高于80％。

本发明中所述传导光纤为多根光纤组合的光纤束，传导光纤一端为由光纤固定装置固定的分散端口，另一端为集成的多根光纤按规律排列的组合端口，对传导光纤的要求为：在波长为250nm-600nm内的透光率高于80％。

以下对本发明作进一步描述：

所述小孔内等离子体压力P的表达式的推导过程如下：

$\frac{x^2}{1-x^2}=2{\left(\frac{2\mathrm{\π}{m}_e}{h^2}\right)}^{3/2}\frac{g_1{E}_i^{5/2}}{g_{0}p}{\left(\frac{{\mathrm{kT}}_e}{E_i}\right)}^{5/2}\exp (-\frac{E_i}{{\mathrm{kT}}_e})---\left(1\right)$

$x=\frac{n_e}{n_e+n_0}---\left(2\right)$

$p=\frac{\mathrm{NkT}}{V}=\mathrm{nkT}=(n_e+n_i+n_0)k{T}_e=({2n}_e+n_0)k{T}_e---\left(3\right)$

式中x为金属蒸气的电离度，me为电子质量(9.110×10^-31kg)，h为Planck常数(6.626×10^-34Js)，E_i为中性原子的电离能，k为Boltzmann常数，T_e为等离子体电子温度可视为等离子体温度，g₁是高能级统计权重(一次电离离子配分函数)，g₀是低能级统计权重(中性原子配分函数)，p为等离子体压力(单位为Pa)，T为等离子体温度(在局部热力学平衡条件下T等于T_e)，N为等离子体总粒子数，V为等离子体体积，n为总粒子密度，n_e、n_i、n₀分别为等离子体电子密度、等离子体离子密度、等离子体中性原子密度。所述等离子体电子温度T_e在局部热力学平衡条件下与等离子体温度T相等。由以上三式可联立求出等离子体压力的关系式：

$p=[{2n}_e+n_e^2\·\frac{g_0}{{2g}_1}\·{\left(\frac{{2\mathrm{\πm}}_{e}k{T}_e}{h^2}\right)}^{-\frac{3}{2}}\·\exp \left(\frac{E_i}{{\mathrm{kT}}_e}\right)]\·{\mathrm{kT}}_e---\left(4\right)$

在参数：电子质量me，Planck常数h，中性原子的电离能E_i，Boltzmann常数k，高能级统计权重g₁，低能级统计权重g₀，查得相关资料已知情况下，等离子体压力P由等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e决定。

在检测到小孔内等离子体光谱信号的基础上计算等离子体压力的过程：

激光焊接中光致等离子体处于局部热力学平衡状态且具有光学薄特性。每种粒子在不同能态之间的相对分布服从Boltzmann分布定律，各种能态下服从Maxwell分布定律，原子分子的电离遵从Saha方程。Griem根据单位时间内电子碰撞引起的在第一激发态与基态的跃迁数应该十倍于自发辐射而引起的在第一激发态与基态之间的跃迁数，给出了局部热力学平衡的一个简单的判据，得到临界电子数密度n_e与电子温度T_e和第一激发态与基态之间的能级差ΔE的计算公式：

$n_e\≥1.6\×{10}^{12}\sqrt{T_e}{\left(\mathrm{\ΔE}\right)}^3---\left(5\right)$

其中，等离子体电子密度n_e单位cm^-3，等离子体电子温度T_e单位K，能级差ΔE单位ev，当三个参数满足(5)式时则可确定，等离子体处于局部热力学平衡状态。

等离子体电子温度T_e的计算：在局部热力学平衡状态下，光致等离子体的激发温度、电子温度、离子温度、气体动力学温度都相等。等离子体的电子温度计算可通过测得等离子体的辐射光谱相对强度并利用Boltzmann图法得到。等离子体中电子从能级p跃迁到q能级，根据Boltzmann分布定律，产生的辐射相对光谱强度Ipq、粒子分布公式：

$I_{\mathrm{pq}}=N_p{A}_{\mathrm{pq}}\frac{\mathrm{hc}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pq}}}---\left(6\right)$

$\frac{N_p}{n}=\frac{g_p}{Z}\exp (-\frac{E_p}{{\mathrm{kT}}_e})---\left(7\right)$

其中Np是激发态p能级粒子数，A_pq是从p能级跃迁到q能级的跃迁几率，hc/λ_pq是发射光子的能量，λ_pq是发射谱线波长，n是激发态p能级粒子总数密度，g_p是p能级统计权重，Z是配分函数，Ep是p能级的能量，k是Boltzmann常数，T_e是等离子体电子温度。将式(6)代入式(7)简化并取自然对数得：

$\ln \left(\frac{I_{\mathrm{pq}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pq}}}{A_{\mathrm{pq}}{g}_p}\right)=\ln \left(\frac{\mathrm{hcn}}{Z}\right)-\frac{E_p}{k{T}_e}---\left(8\right)$

式(8)中的第二部分ln(hcn/Z)与所激发的谱线参数无关，据此我们可得出ln(I_pqλ_pq/A_pqg_p)与Ep之间的线性关系。通过测得等离子体辐射光的多条谱线相对强度查到与谱线对应的能级能量，可在Boltzmann图中得到多个点，并采用最小二乘法将多个点拟合成一条直线，直线斜率为-1/kT_e，从而得到等离子体电子温度T_e。

等离子体电子密度n_e计算：等离子体辐射光谱线展宽是等离子体电子密度的函数。引起光致等离子体谱线变宽的机制主要有三种：多普勒变宽、共振变宽和斯塔克变宽。Abdellatif论证了多普勒展宽和共振展宽对谱线变宽的贡献很小，完全可以忽略。等离子体的电子密度计算可通过斯塔克(Stark)展宽计算得到。Griem给出了斯塔克展宽的半高全宽表达式：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{1/2}=2\mathrm{\ω}\left(\frac{n_e}{{10}^{16}}\right)+3.5A{\left(\frac{n_e}{{10}^{16}}\right)}^{5/4}[1-1.2N_D^{-1/3}]\mathrm{\ω}---\left(9\right)$

第一项是电子展宽的贡献，第二项是离子展宽的修正项。ω是电子碰撞半宽度，A是离子展宽参数，n_e是等离子体中的电子密度，Δλ_1/2是谱线的半高全宽度，N_D是德拜球内的粒子数。根据Griem中系数A、ω的外推估算，式(9)中的第二项对谱线展宽的贡献低于2％，忽略离子展宽的修正项得到谱线半高全宽度与电子密度成正比，即：

${\mathrm{\Δ\λ}}_{1/2}=2\mathrm{\ω}\left(\frac{n_e}{{10}^{16}}\right)---\left(10\right)$

为了较合理地测量谱线线宽，将采集的光谱信号以谱线峰值位置为中心做Lorentz线型拟合，如图4所示，得到拟合谱线半高全宽度。在得出谱线的半高全宽度和知道电子碰撞半宽度情况下，可计算出等离子体电子密度：

$n_e=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{1/2}{10}^{16}}{2\mathrm{\ω}}---\left(11\right)$

在等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e都计算出来后代入式(4)，则可采用等离子体压力P的计算公式计算等离子体压力P。

由于激光深熔焊接时焊接小孔的形成和稳定都需要小孔内的压力平衡，研究小孔内的压力对研究小孔的动态平衡有很大帮助。然而，激光焊接试验过程中小孔内压力检测十分不易，小孔内压力分布的获取则更加困难。焊接小孔内压力的检测与压力分布的获取必须采用特殊的装置和方法，采集焊接过程中的特殊信号实现小孔内压力的检查。

此处描述的小孔内压力指小孔内等离子体的压力。采用检测焊接过程中的等离子体辐射光谱信号，间接计算出等离子体的压力。等离子体作为除固、液、气三种物态之外的第四种物态具有其自身的物理特性。在假设焊接小孔内等离子体处于局部热平衡状态下，通过采集焊接过程中的等离子体光谱相对强度信号，利用特殊方法计算出等离子体的电子温度和电子密度。由等离子体的电子温度和密度则可计算出等离子体的压力。

此处所描述的压力检测是在模拟激光深熔焊接方法的基础上实现的。模拟激光深熔焊接采用GG17玻璃和金属片组成试件，如图1所示。采用两片玻璃和一片金属片，激光沿金属片的上表面扫描，焊接过程中形成的焊接小孔的前后部分两面被金属熔池包围，左右部分两面被GG17玻璃熔池包围。采用一片玻璃和一片厚度大于焊接小孔熔池厚度的金属片，激光沿金属与玻璃的中间扫描，焊接小孔前后部分和左边(或右边)部分三面被金属熔池包围，右边(或左边)部分一面被GG17玻璃熔池包围。激光焊接金属片产生的等离子体辐射光可从焊接小孔左右两边或其中的一边透过GG17玻璃透射出来，采用检测装置采集所需信号。

此处所描述的装置是用来采集模拟激光深熔焊接过程中小孔内金属元素等离子体辐射光谱信号。此检测装置主要包括透镜系统、传导光纤、光纤固定装置、光谱采集系统四部分，如图1所示，该装置特性是可同时精确定位采集焊接小孔内不同位置的等离子体光信号。透镜系统由透镜支架和特殊放大透镜组成。所用到的透镜的透光性能适应于焊接过程所需要采集的光谱波长。如试验中需要采集250nm到600nm波长的光信号，透镜必须在250nm到600nm内的透光率高于80％。传导光纤为特制的多根光纤组合和光纤束。光纤一端为分散的端口，另一端为集成的组合端口且多根光纤按规律排列。光纤的透光性能同样适应于焊接过程所需要采集的光谱波长。如试验中需要采集250nm到600nm波长的光信号，光纤必须在250nm到600nm内的透光率高于80％。光纤固定装置能够按规律排列装配光纤的分散端光纤束。光谱采集系统能够采集到光纤传导出来的光信号，其光的进入通道能够与光纤组合端配合。光谱采集系统要求有足够高的分辨率和光的感应能力，光谱采集范围大于所需要的光谱波长范围。

此处描述的透镜放大系统一个重要的作用是可以精确定位不同光纤对应采集的焊接小孔内不同位置的信号。通常激光深熔焊接小孔的直径小于1mm，深度在6-10mm之间，普通信号采集探头直接检测信号难以精确定位所采集的信号源位置，基于透镜成像放大原理可将焊接小孔放大，清晰分辨不同位置的信号源。如图3所示，焊接小孔内等离子体放大倒像13展示了多通道光纤对应采集的小孔深度方向不同位置的信号源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用透镜成像放大原理，将直径约1mm、深约10mm的深熔焊接小孔放大，以便多通道光纤精确定位采集焊接小孔内不同位置的等离子体光信号。且本发明只需要采集激光深熔焊接过程中小孔内等离子体光信号从而计算得出等离子体的压力，方便实用。

附图说明

图1是本发明一种实施例的实验装置示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是本发明一种实施例透镜成像放大原理与光纤的布置图；

图4是本发明一种实施例的等离子体光谱的Lorentz线型拟合曲线图。

在图中

1-激光束；   3-焊接小孔内等离子体；4-GG17玻璃；

5-金属片；   7-透镜                8-光纤固定装置；

10-传到光纤；11-光谱分析仪；       12-电脑；

13-焊接小孔内等离子体放大倒影像。

具体实施方式

一种模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特性的检测方法，其包括：

(a)、检测装置的组成：所述检测装置包括透镜7、传导光纤10、固定该传导光纤10的光纤固定装置8、采集该传导光纤10传导出的光信号的光谱采集系统；所述光谱采集系统包括与传导光纤10输出端相连的光谱分析仪11，与该光谱分析仪11输出端相连的电脑12；

待检测的金属片5与至少一层GG17玻璃4固定在一起，激光沿金属片5的上表面扫描，激光焊接金属片5产生的等离子体辐射光从焊接小孔的一侧或两侧透过GG17玻璃4透射出来，由所述检测装置采集等离子体光信号；在焊接过程等离子体光信号实时检测过程中，所述透镜7、传导光纤10固定端和激光束1的相对位置保持不变；

(b)、检测方法：首先通过所述检测装置采集激光深熔焊接过程中焊接小孔内等离子体光信号，由光信号计算出等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e，然后根据等离子体压力P与等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e的关系表达式得出小孔内等离子体压力P；

$p=[{2n}_e+n_e^2\·\frac{g_0}{{2g}_1}\·{\left(\frac{{2\mathrm{\πm}}_{e}k{T}_e}{h^2}\right)}^{-\frac{3}{2}}\·\exp \left(\frac{E_i}{{\mathrm{kT}}_e}\right)]\·{\mathrm{kT}}_e$

其中，p为等离子体压力，单位为Pa；m_e为电子质量，其值为9.110×10^-31kg；h为Planck常数，其值为6.626×10^-34Js；E_i为中性原子的电离能；k为Boltzmann常数；T_e为等离子体电子温度；g₁是高能级统计权重；g₀是低能级统计权重；n_e为等离子体电子密度。

采集激光深熔焊接过程中小孔内等离子体光信号计算出等离子体的电子温度和密度可通过如下检测装置实现：

所述检测装置特性是可同时精确定位采集焊接小孔内不同位置的等离子体光信号。如图1所示，所述检测装置主要由透镜系统、传导光纤10、光纤固定装置8、光谱采集系统四部分组成。

透镜系统由透镜支架和放大透镜7组成。所用到的透镜的透光性能适应于焊接过程所需要采集的光谱波长。如试验中需要采集250nm到600nm波长的光信号，透镜必须在250nm到600nm内的透光率高于80％。透镜的放大倍数和焦距是透镜的另一重要参数。确定的透镜焦距和放大倍数情况下，透镜与焊接小孔的距离、放大透镜7与传导光纤10的距离可由透镜成像原理计算出相应参数。

如图3所示，焊接小孔内等离子体放大倒影像13展示了多通道光纤对应采集的小孔深度方向不同位置的信号。

传导光纤10为特制的多根光纤组合的光纤束。光纤一端为分散的端口，另一端为集成的组合端口且多根光纤按规律排列，光纤的透光性能同样适应于焊接过程所需要采集的光谱波长，如试验中需要采集250nm到600nm波长的光信号，光纤必须在250nm到600nm内的透光率高于80％。

光纤固定装置能够按规律排列固定光纤的分散端，其分布形式见图1，2中所检测的焊接小孔内不同点的位置。光纤固定装置8固定光纤的位置由透镜成像原理计算出光纤与透镜7的距离进行布置。

光谱采集系统能够采集到光纤传导出来的光信号，其光的进入通道能够与光纤组合端配合。光谱采集系统要求有足够高的分辨率和光的感应能力，光谱采集范围大于所需要的光谱波长范围。

如图1所示，模拟激光深熔焊接采用两片GG17玻璃4和一片金属片5组成试件，激光沿金属片的上表面扫描，焊接过程中形成的焊接小孔的前后部分两面被金属熔池包围，左右部分两面被GG17玻璃熔池包围。激光焊接金属片产生的等离子体辐射光可从焊接小孔左右两边透过GG17玻璃14透射出来，采用检测装置采集所需信号。

在焊接过程等离子体光信号实时检测过程中，透镜7和传导光纤固定端的光纤与激光束的相对位置始终保持不变，如激光束移动，则透镜和光纤与其同时移动；激光束不动而是工作台移动，则透镜和光纤都不动，以保证实时采集移动中的焊接小孔内等离子体光信号。

Claims (3)

1.一种模拟激光深熔焊接小孔内压力及其特性的检测方法，其特征是：

(a)、检测装置的组成：所述检测装置包括透镜(7)、传导光纤(10)、固定该传导光纤(10)的光纤固定装置(8)、采集该传导光纤(10)传导出的光信号的光谱采集系统；所述光谱采集系统包括与传导光纤(10)输出端相连的光谱分析仪(11)，以及与该光谱分析仪(11)输出端相连的电脑(12)；

待焊接的金属片(5)与至少一层GG17玻璃(4)固定在一起，激光沿金属片(5)的上表面扫描，激光焊接金属片(5)产生的等离子体辐射光从焊接小孔的一侧或两侧透过GG17玻璃(4)透射出来，由所述检测装置采集等离子体光信号；在焊接过程等离子体光信号实时检测过程中，所述透镜(7)、传导光纤(10)固定端和激光束(1)的相对位置保持不变；

(b)、检测方法：首先通过所述检测装置采集激光深熔焊接过程中焊接小孔内等离子体光信号，由光信号计算出等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e，然后由等离子体压力P与等离子体电子温度T_e和等离子体电子密度n_e的关系式得出小孔内等离子体压力P；

$p=[{2n}_e+n_e^2\·\frac{g_0}{{2g}_1}\·{\left(\frac{{2\mathrm{\πm}}_{e}k{T}_e}{h^2}\right)}^{-\frac{3}{2}}\·\exp \left(\frac{E_i}{{\mathrm{kT}}_e}\right)]\·{\mathrm{kT}}_e$

其中，p为等离子体压力，单位为Pa；m_e为电子质量，其值为9.110×10^-31kg；h为Planck常数，其值为6.626×10^-34Js；E_i为中性原子的电离能；k为Boltzmann常数；T_e为等离子体电子温度；g₁是高能级统计权重；g₀是低能级统计权重；n_e为等离子体电子密度。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征是，所述透镜(7)为放大透镜，放大透镜用于放大焊接小孔，对透镜要求在波长为250nm-600nm内的透光率高于80％。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征是，所述传导光纤(10)为多根光纤组合的光纤束，传导光纤(10)一端为由光纤固定装置固定的分散端口，另一端为集成的多根光纤按规律排列的组合端口，所述传导光纤(10)在波长为250nm-600nm内的透光率高于80％。

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