CN102322972A - 搅拌摩擦头内部温度检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种搅拌摩擦头内部温度检测方法及装置，所述方法在搅拌摩擦头内部设置特征点；温度检测装置通过固定装置被安装在摩擦头夹持器上，与摩擦头同步旋转；通过无线方式将温度检测装置检测得到的温度信号发送至接收装置后，传输至上位机通过计算后得到摩擦面温度。所述装置包括固定机构、嵌入式温度检测模块、无线接收模块和上位机软件监控，嵌入式温度检测模块设置于固定机构圆环空腔中，嵌入式温度检测模块与无线接收模块无线连接，无线接收模块与上位机软件监控双向通信。本发明克服常规热电偶法直接测量搅拌头时连线困难问题，并且克服离心力作用的热电偶固定装置，方法简单可靠。

Description

搅拌摩擦头内部温度检测方法及装置

技术领域

本发明涉及材料连接技术领域中温度确定方法，特别涉及搅拌摩擦焊头内部温度检测方法及装置。

背景技术

获得摩擦头内部温度，对深入分析搅拌摩擦焊接热源模型、研究温度场分布与焊接接头质量之间的联系及搅拌摩擦头的使用寿命具有重要意义，但是搅拌摩擦头内部温度以及摩擦界面温度很难确定。目前确定搅拌摩擦头摩擦界面温度方法有两类：

1、直接测量。直接测量一般采用两种方法，一是热电偶法，二是红外辐射测温法。直接测量法获取搅拌头摩擦界面温度时，存在以下问题：

(1)常规热电偶测温方法无法用于高速旋转的搅拌摩擦头测温。摩擦头是高速旋转的，热电偶测温法存在着信号线的连接问题。这时如果必须采用有线方法传输信号，必须采用类似电机集流环、电刷的装置，使热电偶通过补偿导线连接到随搅拌头一起转动的该集流环上，由电刷传输信号。显然这种方法中间转换环节较多，导致干扰因素增加，将严重影响测试精度。

(2)使用常规热电偶测温方法时，同时移动的搅拌摩擦头会破坏焊缝中心预设的热电偶，使得摩擦接触面测温数据不完全，只能测试破坏前温度信息，导致难以表征搅拌头摩擦面上的温度，更别谈摩擦头内部温度的检测了。

(3)红外辐射属于非接触测量，只能测量工件或摩擦头的表面温度场，无法测量搅拌头径向不同深度的实际温度。

2、理论推导。计算过程中只考虑热传导，通过摩擦系数建立压力与产热之间的关系，或者建立工件摩擦面产热机制与材料屈服强度密切相关的热源模型，可以计算出摩擦头摩擦面的温度，再进一步计算摩擦头内部温度。但是搅拌摩擦焊产热为随动过程，热量产生与温度、材料物性参数密切相关，同时要获得粘滞摩擦系数相当困难，具有摩擦压力、塑性变形热等不确定因素，因此假设或经验成分较多，同时工件内部接近摩擦界面的温度变化过程不能实现检测，从而与实际情况有较大的出入。

可见，旋转的摩擦头给直接测量法造成了困难。如果只从工件的角度进行测量，同时采用理论计算的方法获取温度信息，由于测量和计算过程中不确定因素太多，导致计算结果的适用范围很小；同时从工件温度入手，采用热电偶测量法时，焊缝处的热电偶必然会被行进中的搅拌头破坏，导致数据量小，难以获得真实的温度数据。

因此寻求有效的搅拌摩擦头内部特征点温度检测方法和装置，对深入分析搅拌摩擦焊接热源模型、研究温度场分布与焊接接头质量的联系及搅拌摩擦头的使用寿命具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的问题是：①针对单纯从工件角度出发，采用直接测量法时，无法得到接近摩擦面及搅拌头内部有效特征点的温度的缺点；②利用有限的工件特征点实测温度，在各种假设基础上的计算搅拌摩擦头理论温度时，理论值与实际值相差较大缺点。本发明提出一种搅拌摩擦头内部温度检测方法及装置。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

从搅拌头本体出发，在搅拌摩擦头内部设置特征点；针对搅拌摩擦头高速旋转的特点，设计一套简单可靠的克服离心力作用的热电偶固定装置；温度检测装置通过固定装置被安装在摩擦头夹持器上，与摩擦头同步旋转；通过无线方式将温度检测装置检测得到的温度信号发送至接收装置后，传输至上位机显示和记录；在获取了特征点温度后，设计可行的摩擦面温度确定方法。

特征点设置满足如下要求：

1)在同一截面同一深度，沿圆周均匀分布的特征点；

2)在同一截面不同深度，沿圆周均匀分布的特征点；

3)在不同截面同一深度，沿轴向不同距离分布的特征点；

4)在不同截面不同深度，沿轴向不同距离分布的特征点；

5)在中心轴上不同高度的特征点。

搅拌头摩擦面温度确定方法如下：

1)确定摩擦头与周围的环境的边界条件

摩擦头与空气接触界面边界条件为：

$k\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}+h(T-T^{\∞})=0---\left(1\right)$

上式中，k为热传导率，h为对流项系数，T^∞为边界面以外介质的温度，T为搅拌摩擦头中的温度，x为轴向位置参数，d为微分算子；

2)建立搅拌摩擦头的有限元模型

首先建立初值方程：

$\mathrm{\ρ}{c}_P\left(x\right)\frac{\∂T(x,t)}{\∂t}-\frac{\∂}{\∂x}\left[k\left(x\right)\frac{\∂T(x,t)}{\∂x}\right]=Q(x,t)---\left(2\right)$

式中，ρ为密度，c_P为比热，θ为偏微分算子，Q为热量，t为时间参数；

所求的解有下述形式：

T_R(x，t)＝[N(x)]{T(t)}                                (3)

式中，形状函数N(x)仅是坐标的函数，节点温度变量{T}仅是t的函数；

将上式代入控制方程，经过Galerkin公式化后乘以[N]，并进行体积积分，同时令结果为零，得下式：

${\∫}_V\left({\left[N\right]}^T\right[\mathrm{\ρc}\left]\right[N]\frac{\∂\left\{T\right\}}{\∂t}-{\left[N\right]}^T[k\left]\frac{{\∂}^2\left[N\right]}{\∂x^2}\right\{T\}-{\left[N\right]}^{T}Q)\mathrm{dV}=0---\left(4\right)$

式中，[N]代表形函数矩阵；

应用Green-Gauss原理，得有限元模型：

${\∫}_V\left({\left[N\right]}^T\right[\mathrm{\ρc}\left]\right[N]\frac{\∂\left\{T\right\}}{\∂t}+\frac{\∂{\left[N\right]}^T}{\∂x}[k\left]\frac{\∂\left[N\right]}{\∂x}\right\{T\}-{\left[N\right]}^{T}Q)\mathrm{dV}={\∫}_S{\left[N\right]}^T\left[k\right]\frac{\∂\left[N\right]}{\∂x}\left\{T\right\}\mathrm{dS}---\left(5\right)$

3)建立热源模型

$Q=2\mathrm{\πn}{\∫}_0^R\mathrm{\μ}\left(t\right)N\left(t\right)\mathrm{rdr}---\left(6\right)$

上式中，摩擦系数μ(t)、摩擦压力N(t)是时间的函数，n为转速，r为摩擦面半径变量，R摩擦面半径；

4)在ANSYS有限元软件中，根据上述模型，建立有限元模型和热源模型，从而计算摩擦头上特征点温度；

5)与实际温度值比较，如相符合，则转下一步；如不相符合，转入步骤2)；

6)单步按序执行2)、3)、4)，计算得到摩擦面温度。

搅拌摩擦头内部温度检测方法的检测装置，包括固定机构、嵌入式温度检测模块、无线接收模块和上位机软件监控，嵌入式温度检测模块设置于固定机构圆环空腔中，嵌入式温度检测模块与无线接收模块无线连接，无线接收模块与上位机软件监控双向通信。

嵌入式温度检测模块包括热电偶信号接口、AD转换电路、单片机控制电路、无线信号发送电路和电源电路，所述热电偶信号接口串接AD转换电路后接单片机控制电路的输入端，单片机控制电路与无线信号发送电路双向通信，电源电路给AD转换电路、单片机控制电路和无线信号发送电路供电。

所述固定机构成圆环盒状，由圆环空腔体、上盖、固定螺丝和热电偶固定盘组成，两个螺钉穿过圆环空腔体的内壁，旋入搅拌头夹持器上的凹孔中，使整个固定装置固定于搅拌摩擦头夹持器上；上盖和圆环空腔体通过四个螺丝连接在一起。

热电偶固定盘上有12个圆孔，其中任意对称的两个孔用于连接下圆板，其余10个孔用于固定热电偶。

附图说明

图1为本发明的温度检测装置构造图；

图2为本发明的嵌入式温度检测模块结构放大示意图；

图3为图1所示的检测电路固定机构示意图；

图4为图3所示固定机构中的盖板示意图；

图5为图3固定机构中圆环空腔(A-A)截面示意图；

图6为图3所示固定机构中的热电偶固定盘示意图；

图7为图1中单片机控制电路；

图8为摩擦头内部特征点温度检测操作流程；

图9为摩擦界面温度确定方法的流程图。

具体实施方式

以计算摩擦面温度为例，本发明具体实施方式包括以下内容：检测装置的固定机构及使用方法、热电偶的安装方法、单片机控制电路的制作、特征点位置选取方法、测温操作方法、摩擦头摩擦界面温度计算流程。

检测装置结构如图1所示，由以下部分组成：热电偶固定盘(1)、嵌入式温度检测模块(2)、无线接收模块(3)、上位机软件监控(4)。

如图2所示，热电偶信号接口(2-1)、AD转换电路(2-2)、单片机控制电路(2-3)和无线信号发送电路(2-4)、电源电路(2-5)被布置在半圆环形电路板上，组成嵌入式温度检测模块(2)，其结构如图2所示。嵌入式温度检测模块(2)通过安装孔(5)安装于固定机构圆环空腔中。

检测装置信号连接关系为：铠装K型热电偶穿过热电偶固定盘(1)中的小孔，连接到热电偶信号接口(2-1)后，采集的温度信号作为AD转换电路(2-2)的输入，AD转换电路(2-2)的输出连接到单片机控制电路(2-3)的输入，温度数据在单片机中经过相应的处理后，单片机控制电路(2-3)的输出连接到无线发送模块(2-4)的输入，通过无线方式将温度信号发送出去，由无线接收模块(3)接受，无线接收模块(3)的输出连接上位机软件监控(4)的输入，实现温度信息显示和存储。电源模块(2-5)为AD转换电路(2-2)、单片机控制电路(2-3)和无线信号发送电路(2-4)供电。

1、检测装置的固定机构制作及使用方法

固定机构的外壳材料和热电偶固定盘可以由轻质非导电材料制成，如塑料或者胶木板。采用非导电材料的理由是：如果在搅拌摩擦头带电的情况下，使用导电材料不仅会影响检测电路板正常工作，而且会屏蔽装置内的无线发射装置的信号。

固定机构如图3所示，被设计成中空的圆环盒状，主要由圆环空腔体(6)、上盖(7)、固定螺丝(8)、热电偶固定盘(1)组成。两个螺钉(8)穿过圆环空腔体(6)的内壁，旋入搅拌头夹持器上的凹孔中，可使整个固定装置固定于搅拌摩擦头夹持器上。搅拌摩擦头及其夹持器上如图3中虚线部分所示。

图4为固定机构中的盖板俯视结构图，上盖(7)和圆环空腔体(6)通过四个螺丝(9)连接在一起。

图5为圆环空腔体A-A截面示意图，圆环空腔体(6)内部用于安装嵌入式温度检测模块(2)。

图6为热电偶固定盘放大示意图。热电偶固定盘(1)与圆环空腔体(6)通过两根螺杆(10)连接在一起。固定盘上有12个圆孔，其中任意对称的两个孔用于连接下圆板，其余10个孔用于固定热电偶，防止高速旋转产生的离心力甩出热电偶。

固定机构使用方法如下：

首先将嵌入式温度检测模块(包括热电偶信号接口2-1、AD转换电路2-2、单片机控制电路2-3和无线信号发送电路2-4、电源电路2-5)固定在圆环空腔体(6)中；用螺杆10将热电偶固定盘连接圆环空腔体(6)；使用两个螺钉(8)穿过圆环空腔体(6)的内壁，旋入搅拌头夹持器上的凹孔中，使整个固定装置固定于搅拌摩擦头夹持器上；最后通过四个螺丝(9)将上盖(7)和圆环空腔体(6)连接在一起。

2、热电偶的安装方法

在选定工艺参数的前提下，使用热电偶型号为：直径1.0mm的K型绝缘式铠装热电偶。此热电偶技术为公开技术，可从市场上购买。

在选取特征点位置打孔，孔底为被测特征点所在位置。每个孔内都插入热电偶，热电偶在孔底与材料紧密接触。

为了克服高速旋转时，离心力对热电偶和小孔结合处所产生分离作用，热电偶要穿过固定盘(1)上的小孔。固定盘可沿着螺杆上下调节，以使热电偶紧压小孔。穿过小孔后的热电偶输出直接与热电偶信号接口(2-1)相连。

3、嵌入式温度检测模块的制作

包括热电偶信号接口、AD转换电路、单片机控制电路和无线信号发送电路、无线信号接收电路、电源电路。

1)以下四项可采用为公开技术

热电偶信号接口采用普通插件，为公开技术；

AD转换电路主体采用芯片MAX6675，其外围电路简易，为公开技术；

无线信号发送电路主体采用芯片CC1100，其外围电路采用公开技术；

无线信号接受电路采用KYL-610，其外围电路为公开技术；

电源电路核心芯片采用LM2576，其外围电路为公开技术。

2)单片机控制电路

单片机控制电路如图7所示。核心芯片部分主要由芯片U8、芯片U15组成，分别采用PIC16F877A、DS18B20。整个电路采用+5V供电。

图中Y2为芯片U8的晶振；按钮S2与微处理器U8的第一脚相连，用于系统复位；U8第9脚通过R26、发光二极管DS3，用于显示通讯状态，如正常则绿灯亮，如不正常，则绿灯熄灭；拨码开关S1直接与U8的RB口相连，用于选择通讯频率；

引脚组合(引脚19、20)、(引脚21、22)、(引脚27、28)、(引脚29、30)作为SPI通讯线分别与4个AD转换模块相连；引脚4、5、6、7分别为四个AD模块的片选；

引脚25、26作为开放串口，用于连接带有TTL电平接口的串口模块；

引脚2、15、16、17、18、23、24、25、26作为控制线和数据线与无线通讯模块相连。

芯片U15选用DS18B20，用于检测焊接周围环境温度，检测精度为0.25摄氏度，U15与微处理器之间只需要一条信号线相连，即U15第1脚与U8第3脚相连。

4、特征点位置选取方法

搅拌摩擦头外形是带有搅拌针的阶梯状圆柱体，为了通过有限的特征点温度测出搅拌摩擦头的温度场分布，特征点位置的选取，遵循以下五个要求：

1)在同一截面同一深度，沿圆周均匀分布的特征点；

2)在同一截面不同深度，沿圆周均匀分布的特征点；

3)在不同截面同一深度，沿轴向不同距离分布的特征点；

4)在不同截面不同深度，沿轴向不同距离分布的特征点；

5)在中心轴上不同高度的特征点。

依据以上五个要求，考虑空间位置限制，在高度方向上分别选择不同的截面，针对每个截面，研究不同深度(2mm、3mm、4mm以及中心轴线)特征点的温度和同一深度不同圆周位置(0度、120度、240度)特征点温度的分布。经正交组合并优化后选择特征点，选择特征点组合共30个，每次检测1-4个特征点温度。

5、检测摩擦头本体上特征点温度操作方法

如图8所示，为了能够有效检测特征点温度，需要遵循以下工作流程：

1)选取特征点位置，并在相应位置打孔；

2)安装搅拌摩擦头；

3)安装电池及温度检测装置；

4)安装热电偶；

5)打开检测装置电源，装置进入初始化程序；

6)在焊接过程中，装置通过无线方式定时向上位机发送温度信息；

7)上位机对温度数据进行记录、显示。

以上步骤中，第1)、2)、3)、4)、5)由操作者手工完成，其余由装置自动完成。完成以上步骤，即可对温度曲线进行分析，进一步获取搅拌摩擦头温度场信息。

6、摩擦头摩擦界面温度计算流程

如图9所示，摩擦界面温度确定方法及推导流程如下：

1)确定摩擦头与周围的环境的边界条件

摩擦头与空气接触界面边界条件为：

$k\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}+h(T-T^{\∞})=0---\left(1\right)$

上式中，k为热传导率，h为对流项系数，T^∞为边界面以外介质的温度，T为搅拌摩擦头中的温度，x为轴向位置参数，d为微分算子；

2)建立搅拌摩擦头的有限元模型

首先建立初值方程：

$\mathrm{\ρ}{c}_P\left(x\right)\frac{\∂T(x,t)}{\∂t}-\frac{\∂}{\∂x}\left[k\left(x\right)\frac{\∂T(x,t)}{\∂x}\right]=Q(x,t)---\left(2\right)$

式中，ρ为密度，c_P为比热，θ为偏微分算子，Q为热量，t为时间参数；

所求的解有下述形式：

T_R(x，t)＝[N(x)]{T(t)}                            (3)

式中，形状函数N(x)仅是坐标的函数，节点温度变量{T}仅是t的函数；

将上式代入控制方程，经过Galerkin公式化后乘以[N]，并进行体积积分，同时令结果为零，得下式：

${\∫}_V\left({\left[N\right]}^T\right[\mathrm{\ρc}\left]\right[N]\frac{\∂\left\{T\right\}}{\∂t}-{\left[N\right]}^T[k\left]\frac{{\∂}^2\left[N\right]}{\∂x^2}\right\{T\}-{\left[N\right]}^{T}Q)\mathrm{dV}=0---\left(4\right)$

式中，[N]代表形函数矩阵；

应用Green-Gauss原理，得有限元模型：

${\∫}_V\left({\left[N\right]}^T\right[\mathrm{\ρc}\left]\right[N]\frac{\∂\left\{T\right\}}{\∂t}+\frac{\∂{\left[N\right]}^T}{\∂x}[k\left]\frac{\∂\left[N\right]}{\∂x}\right\{T\}-{\left[N\right]}^{T}Q)\mathrm{dV}={\∫}_S{\left[N\right]}^T\left[k\right]\frac{\∂\left[N\right]}{\∂x}\left\{T\right\}\mathrm{dS}---\left(5\right)$

3)建立热源模型

$Q=2\mathrm{\πn}{\∫}_0^R\mathrm{\μ}\left(t\right)N\left(t\right)\mathrm{rdr}---\left(6\right)$

上式中，摩擦系数μ(t)、摩擦压力N(t)是时间的函数，n为转速，r为摩擦面半径变量，R摩擦面半径；

4)在ANSYS有限元软件中，根据上述模型，建立有限元模型和热源模型，从而计算摩擦头上特征点温度；

5)与实际温度值比较，如相符合，则转下一步；如不相符合，转入步骤2)；

6)单步按序执行2)、3)、4)，计算得到摩擦面温度。

Claims (7)

1.一种搅拌摩擦头内部温度检测方法，其特征在于：在搅拌摩擦头内部设置特征点；温度检测装置通过固定机构被安装在摩擦头夹持器上，与摩擦头同步旋转；通过无线方式将温度检测装置检测得到的温度信号发送至接收装置后，传输至上位机得到摩擦面温度。

2.如权利要求1所述的搅拌摩擦头内部温度检测方法，其特征在于特征点设置满足如下要求：

1)在同一截面同一深度，沿圆周均匀分布的特征点；

2)在同一截面不同深度，沿圆周均匀分布的特征点；

3)在不同截面同一深度，沿轴向不同距离分布的特征点；

4)在不同截面不同深度，沿轴向不同距离分布的特征点；

5)在中心轴上不同高度的特征点。

3.如权利要求1所述的搅拌摩擦头内部温度检测方法，其特征在于上位机确定摩擦面温度的方法如下：

1)确定摩擦头与周围的环境的边界条件

摩擦头与空气接触界面边界条件为：

$k\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}+h(T-T^{\∞})=0---\left(1\right)$

上式中，k为热传导率，h为对流项系数，T^∞为边界面以外介质的温度，T为搅拌摩擦头中的温度，x为轴向位置参数，d为微分算子；

2)建立搅拌摩擦头的有限元模型

首先建立初值方程：

$\mathrm{\ρ}{c}_P\left(x\right)\frac{\∂T(x,t)}{\∂t}-\frac{\∂}{\∂x}\left[k\left(x\right)\frac{\∂T(x,t)}{\∂x}\right]=Q(x,t)---\left(2\right)$

式中，ρ为密度，c_P为比热，θ为偏微分算子，Q为热量，t为时间参数；

所求的解有下述形式：

T_R(x，t)＝[N(x)]{T(t)}                        (3)

式中，形状函数N(x)仅是坐标的函数，节点温度变量{T}仅是t的函数；

将上式代入控制方程，经过Galerkin公式化后乘以[N]，并进行体积积分，同时令结果为零，得下式：

${\∫}_V\left({\left[N\right]}^T\right[\mathrm{\ρc}\left]\right[N]\frac{\∂\left\{T\right\}}{\∂t}-{\left[N\right]}^T[k\left]\frac{{\∂}^2\left[N\right]}{\∂x^2}\right\{T\}-{\left[N\right]}^{T}Q)\mathrm{dV}=0---\left(4\right)$

式中，[N]代表形函数矩阵；

应用Green-Gauss原理，得有限元模型：

${\∫}_V\left({\left[N\right]}^T\right[\mathrm{\ρc}\left]\right[N]\frac{\∂\left\{T\right\}}{\∂t}+\frac{\∂{\left[N\right]}^T}{\∂x}[k\left]\frac{\∂\left[N\right]}{\∂x}\right\{T\}-{\left[N\right]}^{T}Q)\mathrm{dV}={\∫}_S{\left[N\right]}^T\left[k\right]\frac{\∂\left[N\right]}{\∂x}\left\{T\right\}\mathrm{dS}---\left(5\right)$

3)建立热源模型

$Q=2\mathrm{\πn}{\∫}_0^R\mathrm{\μ}\left(t\right)N\left(t\right)\mathrm{rdr}---\left(6\right)$

上式中，摩擦系数μ(t)、摩擦压力N(t)是时间的函数，n为转速，r为摩擦面半径变量，R摩擦面半径；

4)在ANSYS有限元软件中，根据上述模型，建立有限元模型和热源模型，从而计算摩擦头上特征点温度；

5)与实际温度值比较，如相符合，则转下一步；如不相符合，转入步骤2)；

6)单步按序执行2)、3)、4)，计算得到摩擦面温度。

4.一种基于权利1要求所述的搅拌摩擦头内部温度检测方法的检测装置，其特征在于：包括固定机构、嵌入式温度检测模块(2)、无线接收模块(3)和上位机软件监控(4)，嵌入式温度检测模块(2)设置于固定机构圆环空腔中，嵌入式温度检测模块(2)与无线接收模块(3)无线连接，无线接收模块(3)与上位机软件监控(4)双向通信。

5.如权利要求2所述的搅拌摩擦头内部温度检测装置，其特征在于所述嵌入式温度检测模块(2)包括热电偶信号接口(2-1)、AD转换电路(2-2)、单片机控制电路(2-3)、无线信号发送电路(2-4)和电源电路(2-5)，所述热电偶信号接口(2-1)串接AD转换电路(2-2)后接单片机控制电路(2-3)的输入端，单片机控制电路(2-3)与无线信号发送电路(2-4)双向通信，电源电路(2-5)给AD转换电路(2-2)、单片机控制电路(2-3)和无线信号发送电路(2-4)供电。嵌入式温度检测模块(2)通过安装孔(5)被固定于圆环空腔体(6)中。

6.如权利要求2所述的搅拌摩擦头内部温度检测装置，其特征在于：所述固定机构成圆环盒状，由圆环空腔体(6)、上盖(7)、固定螺丝(8)和热电偶固定盘(1)组成，两个螺钉(8)穿过圆环空腔体(6)的内壁，旋入搅拌头夹持器上的凹孔中，使整个固定装置固定于搅拌摩擦头夹持器上；上盖(7)和圆环空腔体(6)通过四个螺丝(9)连接在一起。

7.如权利要求2所述的搅拌摩擦头内部温度检测装置，其特征在于：热电偶固定盘(1)上沿圆周均匀分布有12个圆孔(11)，其中任意对称的两个孔用于连接下圆板，其余10个孔用于固定热电偶。

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