CN102179586B - 一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法，具体为步骤一：将待钎焊层板式喷注器的各层需焊接的层板上下表面分别镀镍层；步骤二：将箔状钎料按照层板式喷注器中彼此相邻的两层之间的形状进行加工；步骤三：将箔状钎料放置到层板式喷注器层板部件之间；步骤四：将层板式喷注器放入真空室中加热加压进行钎焊。本发明通过控制钎料的厚度和工艺参数，成功解决了现有技术中钎焊制备过程中温度和压力过高引起的层板板面之间孔及流通通道塑性变形的技术问题。本发明中钎料良好地润湿不锈钢层板，可以降低扩散焊过程中存在的压力不均匀带来的焊接质量问题的概率。

Description

一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法

技术领域

本发明属于液体火箭发动机制备技术领域，具体涉及一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法。

背景技术

随着载人航天技术的不断发展，更为严格的环保要求以及国际商业火箭市场竞争的加剧，常规有毒推进剂系统的使用将受到限制，无毒、无污染、高性能、低成本的空间推进系统正成为21世纪各国推进技术研究的主要方向。在研制无毒小推力发动机过程中，喷注器设计是关键技术之一，对燃烧效率、热防护和响应特性等指标有很大的影响。相对于传统方式的喷注器，层板式喷注器具有可以安放数量更多的喷嘴、头腔容积更小、膜冷却更均匀等优点。由于层板式喷注器结构较为复杂，对制造技术提出了更高的要求。

层板式喷注器属于无毒推进剂小推力发动机所使用的喷注器，由五块4～9mm厚度不等的薄板组合而成，所用推进剂为气氧/甲烷，与液体推进剂的层板式喷注器有所差异。层板式喷注器所使用的材料一般为不锈钢，每块板上加工有不同的小孔及推进剂流通通道，最小的孔一般仅为0.5mm左右，最后要将五块平板连接为一个整体，并要求各个板面之间的孔及流通通道不能堵塞，各个板定位要有很高的精度，结构有一定强度，侧面不能漏气。目前国内外，尤其是美国与俄罗斯等先进国家制造层板式喷注器通过文献可知一般采用扩散焊接的工艺，但没有公开的文献或资料涉及详细地制造工艺参数。采用扩散焊接工艺，对每个部件(层板)的表面质量要求高，并且扩散焊工艺采用高温高压，而在高温条件下采用很大的压力容易造成层板的各个板面之间的孔及流通通道发生一定的塑性变形，影响制造质量和性能，因此要获得性能和质量优异的层板式喷注器，对工艺参数要求非常严格，从而提高了生产成本。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法，通过控制钎料的厚度和工艺参数，成功解决了现有技术中钎焊制备过程中温度和压力过高引起的层板板面之间孔及流通通道塑性变形的技术问题。本发明中钎焊温度低、压力小，从而大大减小不锈钢层板式喷注器流通通道塑性变形的可能性，钎料良好地润湿不锈钢层板，可以降低扩散焊过程中存在的压力不均匀带来的焊接质量问题的概率。

本发明提供的一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一：将待钎焊层板式喷注器的各层需要焊接的层板上下两个表面分别采用电镀工艺镀0.01～0.02mm的镍层。

步骤二：将0.03～0.06mm厚的箔状钎料按照层板式喷注器中彼此相邻的两层之间的形状进行加工，得到n-1层箔状钎料，其中n为待钎焊的层板式喷注器的层板结构的层数。所述的箔状钎料的成份按照重量百分比为：20～30％的铜、0.1～5％的锰、0.1～3％的镍，其余为银。

步骤三：将n-1块箔状钎料放置到层板式喷注器的n个层板部件之间，按照设计要求将层板式喷注器装配好；

步骤四：将层板式喷注器放入真空室中加热加压进行钎焊，在真空度为3×10^-3～5×10^-3Pa、温度850～900℃、夹紧压力1～5MPa的工艺条件下进行钎焊10～20min，将n层层板式喷注器钎焊到一起。

本发明具有的优点在于：

(1)本发明提供的一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法，钎焊温度低，压力小，从而大大减小不锈钢层板式喷注器流通通道塑性变形的可能性；

(2)本发明提供的一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法中钎料良好地润湿不锈钢层板，可以降低扩散焊过程中存在的压力不均匀带来的焊接质量问题的概率；

(3)本发明提供的一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法，焊接时间短、对层板表面质量要求较低，有效降低了生产成本；

(4)本发明提供的一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法，钎焊制造的不锈钢层板式喷注器不会出现钎料堵塞现象，完全满足液体火箭发动机推进剂为气氧/甲烷的层板式喷注方案，并且有效地打破了国外对该技术的封锁，为我国航天领域推进器的发展提供了技术支持。

附图说明

图1：本发明提供的一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法；

图2：本发明应用于小推力发动机层板式喷注器的主视图；

图3：本发明应用于小推力发动机层板式喷注器的剖面图；

图4：本发明应用于小推力发动机层板式喷注器的顶层板主视图；

图5：本发明应用于小推力发动机层板式喷注器的分流板A主视图；

图6：本发明应用于小推力发动机层板式喷注器的分流板B主视图；

图7：本发明应用于小推力发动机层板式喷注器的燃料板主视图；

图8：本发明应用于小推力发动机层板式喷注器的氧化剂板主视图。

图中：

1-螺栓孔     2-火花塞     3-燃料接管嘴     4-氧气接管嘴

5-顶层板     6-燃料接管嘴密封  7-火花塞密封垫片   8-氧气接管嘴密封垫片

             垫片

9-边区冷却剂流量调   10-边区冷却剂流量    11-分流板A  12-分流板B节固定装置         调节垫片

13-燃料板       14-壳体      15-燃料喷嘴         16-氧化剂板

17-通孔A        18-通孔C      19-通孔B            20-阶梯通孔D

21-冷却剂分流孔 22-氧化剂分流孔   23-通孔F        24-盲孔I

25-通孔G        26-通孔J         27-环形腔A        28-通孔K₁

29-通孔K₂       30-盲孔X         31-通孔M         32-环形腔B

33-阶梯通孔R    34-环形腔C       35-通孔N         36-通孔L

37-阶梯通孔P    38-环形腔D       39-阶梯通孔Q     40-盲孔Y

41-通孔T

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法，如图1所示，具体包括以下几个步骤：

步骤一：将待钎焊层板式喷注器的各层需要焊接的层板上下两个表面分别采用电镀工艺镀0.01～0.02mm的镍层。

步骤二：将0.03～0.06mm厚的箔状钎料按照层板式喷注器中彼此相邻的两层之间的形状进行加工，得到n-1层箔状钎料，其中n为待钎焊的层板式喷注器的层板结构的层数。所述的箔状钎料的成份按照重量百分比为：20～30％的铜、0.1～5％的锰、0.1～3％的镍，其余为银。

步骤三：将n-1块箔状钎料放置到层板式喷注器的n个层板部件之间，按照设计要求将层板式喷注器装配好；

步骤四：将层板式喷注器放入真空室中加热加压进行钎焊，在真空度为3×10^-3～5×10^-3Pa、温度850～900℃、夹紧压力1～5MPa的工艺条件下进行钎焊10～20min，将n层层板式喷注器钎焊到一起。

本发明提出的不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法可完成对气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的钎焊制备。所述的气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的层板结构的层数为n＝5，结构如图2和图3，主要包括：火花塞2、燃料接管嘴3、氧气接管嘴4、燃料板13、氧化剂板16、顶层板5、分流板A11、分流板B12、边区冷却剂流量调节固定装置9、边区冷却剂流量调节垫片10、燃料喷嘴15和壳体14。其中燃料板13、氧化剂板16、顶层板5、分流板A11和分流板B12组成层板结构。

所述的壳体14为圆形结构，中心具有通孔a，通孔a内部顺次焊接有分流板A11、分流板B12、燃料板13和氧化剂板16，顶层板5与分流板A11的上表面焊接相连，壳体14的边缘均匀分布有多个螺栓孔1，通过螺栓孔1可以将该层板式喷注器与其他部件进行固定。

所述的顶层板5中心具有通孔A17，如图4所示，通孔A17两侧对称分布有通孔B19和通孔C18，通孔B19和通孔C18分别与燃料接管嘴3和氧气接管嘴4相连接，且所述的通孔B19与燃料接管嘴3之间还连接有燃料接管嘴密封垫片6，通孔C18与氧气接管嘴4之间还连接有氧气接管嘴密封垫片8。

所述的分流板A11的中心具有阶梯通孔D20，如图5所示，阶梯通孔D20上部(即朝向顶层板方向的部分)的孔径与通孔A17的孔径相同，且阶梯通孔D20与通孔A17同轴；阶梯通孔D20的两侧对称分布有盲孔I24和通孔E(冷却剂分流孔与氧化剂分流孔属于通孔E)。盲孔I24的开孔方向为朝向顶层板5方向，组装层板式喷注器的层板结构时，盲孔I24与通孔B19相对，且盲孔I24与通孔B19同轴，在盲孔I24的内侧相邻位置设置有通孔F23，盲孔I24与通孔F23通过在分流板A11平面方向的凹槽通道相连通。所述的通孔E与顶层板5上的通孔C18位置相对，通孔E为双层孔结构，顶层为连通孔，底层为冷却剂分流孔21和氧化剂分流孔22。通过顶层的连通孔可将气流经底层的冷却剂分流孔21和氧化剂分流孔22进行分流，组装层板式喷注器的层板结构时，通孔E的连通孔与顶层板5相对，冷却剂分流孔21和氧化剂分流孔22与分流板B12相对。

所述的分流板B12的中心具有通孔G25，如图6所示，通孔G25与通孔A17和阶梯通孔D20同轴，通孔G25的周围具有环形腔A27，组装层板式喷注器的层板结构时，使环形腔A27朝向分流板A11，环形腔A27的外侧设置有盲孔X30，盲孔X30通过分流板B12平面方向上的凹槽通道与环形腔A27相连通，且盲孔X30与通孔F23同轴；分流板B12在环形腔A27的底部沿周向均匀分布有多个通孔J26，通孔J26的个数优选为12个以上；分流板B12与通孔E的冷却剂分流孔21和氧化剂分流孔22相对的位置上，分别设置有通孔K₁28和通孔K₂29，通孔K₁28与冷却剂分流孔21同轴，通孔K₂29与氧化剂分流孔22同轴，使经冷却剂分流孔21流出的气体通过通孔K₁28流出，使经氧化剂分流孔22流出的气体经过通孔K₂29流出。冷却剂分流孔21中通过螺纹连接有边区冷却剂流量调节固定装置9，所述的通孔K₁28与冷却剂分流孔21之间设置有边区冷却剂流量调节垫片10，边区冷却剂流量调节垫片10中心具有中心孔，该中心孔的尺寸可变，通过调节边区冷却剂流量调节垫片10可以调节流入通孔K₁28中的气体流量。

所述的燃料板13中心具有通孔M31，如图7所示，通孔M31与通孔G25、通孔A17和阶梯通孔D20同轴；通孔M31的外围设置有环形腔B32，组装层板式喷注器的层板结构时，使环形腔B32朝向分流板B12，环形腔A27与环形腔B32的半径相等，环形腔B32的外围沿圆周方向均匀设置有多个与环形腔B32相通的阶梯通孔R33，每个阶梯通孔R33均通过凹槽通道与环形腔B32相连通，阶梯通孔R33的个数优选为6个以上。燃料板13在阶梯通孔R33外侧设置有环形腔C34，环形腔C34与分流板B上的通孔K₁28位置相对(即通孔K1的轴线位于环形腔C的腔上)，环形腔C34的底部均匀的设置有多个通孔N35，通孔N35的个数优选为16个以上。燃料板13上还设置有通孔L36，使通孔L36与通孔K₂29同轴。

所述的氧化剂板16中心具有阶梯通孔P37，如图8所示，阶梯通孔P37与通孔M31同轴，阶梯通孔P37外围沿圆周方向均匀分布有多个阶梯通孔Q39，阶梯通孔Q39与阶梯通孔R33同轴，且阶梯通孔Q39与阶梯通孔R33个数相等，使对应的每一个阶梯通孔Q39和每一个阶梯通孔R33能够组合在一起，形成一个组合孔，进而使燃料喷嘴固定于阶梯通孔Q39和阶梯通孔R33形成的组合孔中，且燃料喷嘴15使用温差法装配固定于该组合孔中。氧化剂板16在阶梯通孔P37的一侧具有盲孔Y40，组装层板式喷注器的层板结构时，盲孔Y40与燃料板13相对，且盲孔Y40与通孔L36同轴，在阶梯通孔P37的外围具有环形腔D38，通过环形腔D38使盲孔Y40与每一个阶梯通孔Q39连通。氧化剂板16的侧壁成阶梯状与壳体14内壁形成环形腔E，环形腔E与燃料板13上的通孔N35位置相对，通孔N35与环形腔E距离氧化剂板16的中心的长度相等。在环形腔E的底部沿周向均匀分布有多个通孔T41，通孔T41的个数优选为20个以上，用于流通冷却剂，使从通孔T41流出的冷却剂沿壳体14的内壁边缘流出，用于冷却。火花塞2依次穿过通孔A17、阶梯通孔D20、通孔G25、通孔M31和阶梯通孔P37，且火花塞2与分流板A11的阶梯通孔D20之间连接有火花塞密封垫片7。

由于该层板式喷注器的层板结构的孔径和燃料喷嘴都较小，层板式喷注器的层板结构即顶层板5、分流板A11、分流板B12、燃料板13和氧化剂板16，可以通过沿垂直于层板结构的方向安装定位销钉定位，将五层层板结构进行定位，以保证位置精度。燃料从燃料接管嘴4进入层板式喷注器中依次通过顶层板的通孔B19、分流板A11上的盲孔I24、分流板A11上的通孔F23、分流板B12上的盲孔X30、分流板B12上的环形腔A27、分流板B12上的通孔J26、燃料板13上的环形腔B32、燃料板13上的阶梯通孔R33，从燃料板13的阶梯通孔R33中最终进入燃料喷嘴15，形成燃料流通通道。氧气从氧气接管嘴4进入顶层板的通孔C18，再通过分流板A11上的通孔E中的冷却剂分流孔21和氧化剂分流孔22形成两股气流，一股用作冷却剂，另一股用作氧化剂。作为冷却剂的氧气由冷却剂分流孔22顺次进入分流板B12上的通孔K₁28、燃料板13上的环形腔C34、燃料板13上的通孔N35、环形腔E、氧化剂板16上的通孔T41，最后从燃烧室前端沿壁面切向进入燃烧室起冷却作用，形成冷却剂流通通道；作为氧化剂的氧气由分流板A11上的氧化剂分流孔21顺次进入分流板B12上的通孔K₂29、燃料板13上的通孔L36、氧化剂板16上的环形腔D38、氧化剂板16上的阶梯通孔Q39与燃料喷嘴15之间的间隙，最后在阶梯通孔Q39末端与燃料混合，形成氧化剂流通通道。

实施例1：采用Ag-20Cu-0.1Mn-0.1Ni钎料钎焊不锈钢层板式喷注器

应用本发明提供的不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法对气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器(具有五层的层板式结构)进行钎焊制备时，具体包括以下几个步骤：

步骤一：对气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B需要焊接的表面采用电镀工艺在表面镀0.01mm的镍层。

步骤二：将0.03mm厚的箔状钎料按照层板式喷注器的顶层板、分流板A、分流板B、燃料板和氧化剂板彼此相邻的两层之间的形状进行加工，得到4块箔状钎料。所述的箔状钎料的成份按照重量百分比为：20％的铜、0.1％的锰、0.1％的镍，其余为银。

步骤三：将4块箔状钎料放置到气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B之间，按照设计要求将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器装配好；

步骤四：将不锈钢层板式喷注器放入真空室中加热加压进行钎焊，在真空度为3×10^-3Pa、温度850℃、夹紧压力1MPa条件下进行钎焊10min，将五层不锈钢层板即燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B焊接在一起，完成气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的钎焊过程。

不锈钢层板式喷注器外观检查未发现气孔、未焊上等缺陷；密封性能检测未发现侧面漏气、钎料堵塞、钎缝泄露等现象。

实施例2：采用Ag-28Cu-0.1Mn-0.1Ni钎料钎焊不锈钢层板式喷注器

应用本发明提供的不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法对气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器(具有五层的层板式结构)进行钎焊制备时，具体包括以下几个步骤：

步骤一：对五个不锈钢层板需要焊接的表面采用电镀工艺在表面镀0.02mm的镍层。

步骤二：将0.03mm的箔状钎料按照装配的位置加工成需要的样式，得到四层箔状钎料，所述的箔状钎料的成份按照重量百分比为28％的铜、0.1％的锰、0.1％的镍，其余为银；

步骤三：将箔状钎料放置到气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B之间，按照设计要求将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器装配好；

步骤四：将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器放入真空室中加热加压进行钎焊，在真空度为5×10^-3Pa、温度850℃、夹紧压力1MPa、时间10min的钎焊工艺条件下，将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B钎焊到一起，完成气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的钎焊过程。

气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器外观检查未发现气孔、未焊上等缺陷；密封性能检测未发现侧面漏气、钎料堵塞、钎缝泄露等现象。

实施例3：采用Ag-24Cu-5Mn-3Ni钎料钎焊不锈钢层板式喷注器

应用本发明提供的不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法对气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器(具有五层的层板式结构)进行钎焊制备时，具体包括以下几个步骤：

步骤一：对五个不锈钢层板需要焊接的表面采用电镀工艺在表面镀0.015mm的镍层。

步骤二：将0.06mm的箔状钎料按照装配的位置加工成需要的样式，得到四层箔状钎料，所述的箔状钎料的成份按照重量百分比为24％的铜、5％的锰、3％的镍，其余为银；

步骤三：将箔状钎料放置到气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B，按照设计要求将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器装配好；

步骤四：将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器放入真空室中加热加压进行钎焊，在真空度为3×10^-3Pa、温度900℃、夹紧压力5MPa、时间20min的钎焊工艺条件下，将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B钎焊到一起，完成气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的钎焊过程。

气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器外观检查未发现气孔、未焊上等缺陷；密封性能检测未发现侧面漏气、钎料堵塞、钎缝泄漏等现象。

实施例4：采用Ag-20Cu-3Mn-3Ni钎料钎焊不锈钢层板式喷注器

应用本发明提供的不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法对气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器(具有五层的层板式结构)进行钎焊制备时，具体包括以下几个步骤：

步骤一：对五个不锈钢层板需要焊接的表面采用电镀工艺在表面镀0.02mm的镍层。

步骤二：将0.05mm的箔状钎料按照装配的位置加工成需要的样式，得到四层箔状钎料，所述的箔状钎料的成份按照重量百分比为20％的铜、3％的锰、3％的镍，其余为银；

步骤三：将箔状钎料放置到气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B之间，按照设计要求将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器装配好；

步骤四：将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器放入真空室中加热加压进行钎焊，在真空度为3×10^-3Pa、温度870℃、夹紧压力2MPa、时间18min的钎焊工艺条件下，将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B钎焊到一起，完成气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的钎焊过程。

气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器外观检查未发现气孔、未焊上等缺陷；密封性能检测未发现侧面漏气、钎料堵塞、钎缝泄漏等现象。

实施例5：采用Ag-30Cu-0.1Mn-3Ni钎料钎焊不锈钢层板式喷注器

应用本发明提供的不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法对气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器(具有五层的层板式结构)进行钎焊制备时，具体包括以下几个步骤：

步骤一：对五个不锈钢层板需要焊接的表面采用电镀工艺在表面镀0.02mm的镍层。

步骤二：将0.04mm的箔状钎料按照装配的位置加工成需要的样式，得到四层箔状钎料，所述的箔状钎料的成份按照重量百分比为30％的铜、0.1％的锰、3％的镍，其余为银；

步骤三：将箔状钎料放置到气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B之间，按照设计要求将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器装配好；

步骤四：将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器放入真空室中加热加压进行钎焊，在真空度为5×10^-3Pa、温度880℃、夹紧压力3MPa、时间15min的钎焊工艺条件下，将气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的燃料板、氧化剂板、顶层板、分流板A和分流板B钎焊到一起，完成气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器的钎焊过程。

气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器外观检查未发现气孔、未焊上等缺陷；密封性能检测未发现侧面漏气、钎料堵塞、钎缝泄漏等现象。

Claims (2)

1.一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：将待钎焊层板式喷注器的各层需焊接的层板上下两个表面分别采用电镀工艺镀0.01～0.02mm的镍层；

步骤二：将0.03～0.06mm厚的箔状钎料按照层板式喷注器中彼此相邻的两层之间的形状进行加工，得到n-1层箔状钎料，其中n为待钎焊的层板式喷注器的层板结构的层数；所述的箔状钎料的成份按照重量百分比为：20～30%的铜、0.1～5%的锰、0.1～3%的镍，其余为银；

步骤三：将n-1块箔状钎料放置到层板式喷注器的n个层板部件之间，按照设计要求将层板式喷注器装配好；

步骤四：将层板式喷注器放入真空室中加热加压进行钎焊，在真空度为3×10^-3～5×10^-3Pa、温度850～900℃、夹紧压力1～5MPa的工艺条件下进行钎焊10～20min，将n层层板式喷注器钎焊到一起。

2.根据权利要求1所述的一种不锈钢层板式喷注器的钎焊制备方法，其特征在于：步骤一中的待钎焊层板式喷注器为具有五层的层板式结构的气氧/甲烷小推力发动机层板式喷注器。

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