CN111001901B - 短路型交流焊接控制电路及焊接电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种短路型交流焊接控制电路及焊接电源，短路型交流焊接控制电路适用于消耗电极式的短路型交流焊接电源，短路型交流焊接控制电路包括逆变主电路、控制器以及逆变辅助电路。逆变主电路连接于短路型交流焊接电源的变压器的副边，逆变主电路被配置为向电极输出第一工作电流。控制器连接于逆变主电路，在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将断开时，控制器切断逆变主电路的输出。逆变辅助电路被配置为在控制器断开逆变主电路的输出时向电极输出一维持电弧的第二工作电流，第二工作电流小于第一工作电流。

Description

短路型交流焊接控制电路及焊接电源

技术领域

本发明涉及焊接领域，且特别涉及一种短路型交流焊接控制电路及焊接电源。

背景技术

熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)是一种采用可熔化的焊丝作为电极，以连续送进的焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属的焊接方法，是一种消耗电极式的焊接方法。焊接过程中，保护气体通过焊枪喷嘴连续输送到焊接区，使电弧、熔池及其附近的母材金属免受周围空气的有害作用。焊丝不断熔化应以熔滴形式过渡到焊池中，与熔化的母材金属熔合、冷凝后形成焊缝金属。

在消耗电极式的焊接方法中电源跨接在电极（焊丝）和工件之间，当电弧产生时，电极的端部融化形成悬挂在电极上的熔滴，熔滴不断的变大并与工件上的熔池相接触形成短路。此时，电极和工件之间的电压迅速下降，焊接电流迅速增加。快速增加的电流使得熔滴的颈部快速变成一个非常小的截面（缩颈现象），液桥断开，熔滴从电极上分离。由于此时的焊接电流很大，巨大的能量通过液桥的断开进行释放，从而产生大量的飞溅且飞溅的距离非常的远。大量的飞溅不仅影响焊接效率，且焊接后工件表面的溅洒很难清理。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种能大大减小熔滴飞溅的短路型交流焊接控制电路及焊接电源。

为了实现上述目的，本发明提供一种短路型交流焊接控制电路，其适用于消耗电极式的短路型交流焊接电源，短路型交流焊接控制电路包括逆变主电路、控制器以及逆变辅助电路。逆变主电路连接于短路型交流焊接电源的变压器的副边，逆变主电路被配置为向电极输出第一工作电流。控制器连接于逆变主电路，在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将断开时，控制器切断逆变主电路的输出。逆变辅助电路被配置为在控制器断开逆变主电路的输出时向电极输出一维持电弧的第二工作电流，第二工作电流小于第一工作电流。

根据本发明的一实施例，逆变主电路包括四个主IGBT管，控制器分别连接于四个主IGBT管，在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将熔断时，控制器关断当前导通的两个主IGBT管以使四个主IGBT管均处于截止状态。

根据本发明的一实施例，逆变辅助电路在逆变主电路断开或输出第一工作电流时均向电极输出第二工作电流。

根据本发明的一实施例，逆变辅助电路包括：

与电极相连接以输出第二工作电流的逆变辅助模块；以及

连接于逆变辅助模块的续流阻断模块，在控制器切断逆变主电路的输出时，续流阻断模块阻断逆变辅助模块和电极之间的续流回路。

根据本发明的一实施例，逆变辅助模块由四个辅助IGBT管所组成，续流阻断模块包括四个阻断二极管，四个阻断二极管分别与四个辅助IGBT管上的续流二极管反向串联。

根据本发明的一实施例，逆变辅助电路包括与电极相连接以输出第二工作电流的逆变辅助模块，所述逆变辅助模块和电极之间无续流回路。

根据本发明的一实施例，逆变辅助电路的输入端连接于焊接电源的变压器的副边且并联于逆变主电路，逆变辅助电路还包括串联于逆变辅助模块的限流元件，限流元件限制逆变辅助电路输出的第二工作电流。

根据本发明的一实施例，限流元件为限流电阻或电抗器。

根据本发明的一实施例，焊接控制电路包括一连接于逆变辅助电路输入端的恒流源，恒流源为逆变辅助电路提供一小于第一工作电流的第二工作电流。

根据本发明的一实施例，焊接控制电路还包括一串联连接于逆变辅助电路上的以降低基值电流纹波的储能电感。

相对应的，本发明还提供一种短路型交流焊接电源，其包括上述短路型交流焊接控制电路。

综上所述，本发明提供的短路型交流焊接控制电路及焊接电源中控制器控制逆变主电路的输出。在燃弧期间，逆变主电路输出电流值较大的第一工作电流以熔化电极产生熔滴。随着熔滴的不断变大，熔滴与工件上的熔池相接触形成短路状态，焊接电流迅速增大，熔滴开始缩颈且熔滴上的液桥即将断裂。此时控制器迅速切断逆变主电路的输出，同时逆变辅助电路为电极提供一电流值较小的第二工作电流，焊接电流迅速降低至第二工作电流上，第二工作电流促使液桥熔断，熔滴从电极上分离。迅速降低的焊接电流大大减小了液桥熔断时的能量，从而有效地抑制熔断时产生的飞溅，大大减小焊接后工件上的溅洒。本发明提供的短路型交流焊接控制电路中，逆变主电路输出的第一工作电流为燃弧期间内熔滴的形成和短路末期的缩颈提供了条件；而逆变辅助电路的设置则大大降低了液桥断裂时的能量，从而达到减小飞溅的目的。

此外，在液桥即将熔断时，为迅速降低短路型交流焊接控制电路的输出电流，逆变辅助电路上还设置有续流阻断模块，续流阻断模块阻断了电极和逆变辅助模块之间的续流回路，从而使得短路型交流焊接控制电路的输出电流能快速地从第一工作电流下降到第二工作电流上。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明一实施例提供的短路型交流焊接控制电路的原理框图。

图2所示为本发明实施例一提供的短路型交流焊接控制电路的原理图。

图3所示为本发明另一实施例提供的短路型交流焊接控制电路的原理图。

图4所示为检测液桥即将断开的检测电路的原理图。

图5所示为本发明实施例二提供的短路型交流焊接控制电路的原理图。

图6至图6B所示为本发明另一实施例提供的短路型交流焊接控制电路的原理图。

图7所示为本发明实施例三提供的短路型交流焊接控制电路的原理图。

图8所示为本发明实施例四提供的短路型交流焊接控制电路的原理图。

具体实施方式

实施例一

在现有的消耗电极式的焊接设备中，电极与工件相接触时产生短路，此时电压降低，而电流则迅速增大。巨大的焊接电流使得液桥熔断时产生大量的飞溅。有鉴于此，本实施例提供一种能大幅度抑制液桥熔断时的产生的飞溅的短路型交流焊接控制电路及焊接电源。

如图1所示，本实施例提供的短路型交流焊接控制电路包括逆变主电路10、控制器20以及逆变辅助电路30。逆变主电路10连接于短路型交流焊接电源的变压器T的副边，逆变主电路10被配置为向电极输出第一工作电流。控制器20连接于逆变主电路10，在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将熔断时，控制器20切断逆变主电路10的输出。逆变辅助电路30被配置为在控制器20断开逆变主电路10的输出时向电极输出一维持电弧的第二工作电流，第二工作电流小于第一工作电流。

消耗电极式的交流焊接中，当电弧产生时，电极的端部融化形成悬挂在电极上的熔滴，熔滴不断变大并与工件上的熔池相接触形成短路。此时，仍然需要焊接电流保持较大值以使熔滴发生缩颈，为后续的液桥断开提供条件。而在液桥断开时为减小飞溅需要满足：①降低熔断时的能量；②由于液桥断开的时间非常的短，能量的降低要非常的迅速。

本实施例提供的短路型交流焊接控制电路，在燃弧期间，逆变主电路10为电极提供一较大的电流（第一工作电流）以使电极熔化形成熔滴，熔滴不断变大并与工件上的熔池相接触后，形成短路状态。此时焊接电流迅速变大，熔滴缩颈且液桥逐渐趋于熔断状态。一旦检测到液桥处于该状态，控制器20将迅速切断逆变主电路10的输出，仅由逆变辅助电路30向电极输出电流值较小的第二工作电流，该第二工作电流为液桥的熔断提供能量，并起到维持电弧的作用。由于其电流值较小，液桥熔断时的能量也较小，因此能很好的抑制熔断时的飞溅。

于本实施例中，在液桥即将熔断时，为降低液桥熔断时的能量，第二工作电流在满足维持电弧这一前提条件小尽可能地小。在实际操作中，可通过多次测试调整来获得满足要求的第二工作电流。譬如，可设置第二工作电流的平均值为20~30安培。然而，本发明对第一工作电流值和第二工作电流值的具体数值不作任何限定。对于第一工作电流而言，其可根据电极材料选取现有的短路型焊接控制电路方法中的焊接电流。对于第二工作电流而言，其在满足熔断液桥这一前提条件下，尽可能地小以提高防飞溅的效果。

于本实施例中，如图2所示，逆变主电路10由四个主IGBT管Q1，Q2，Q3，Q4组成，主IGBT管Q1，Q3组成第一导通臂，主IGBT管Q2，Q4组成第二导通臂。两个导通臂交替导通为电极提供第一工作电流。于本实施例中，控制器20为分别连接于四个主IGBT管上的IGBT管驱动模块，在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将熔断时，控制器20关断当前导通臂内的两个主IGBT管以使四个主IGBT管均处于截止状态，第一工作电流被迅速切断。然而，本发明对此不作任何限定。于其他实施例中，控制器可为连接于逆变主电路的输出端和电极之间的控制开关，控制开关打开或关断逆变主电路和电极之间的通路。

对于逆变辅助电路30而言，其主要目的是在逆变主电路10断开后继续为电极提供一电流值较小的第二工作电流，该第二工作电流既实现了电弧的维持同时也降低了液桥熔断时的能量。于本实施例中，在整个焊接过程中，逆变辅助电路30均向电极输出第二工作电流。即在逆变主电路10处于工作状态时，电极上的焊接电流为第一工作电流叠加第二工作电流；而当控制器20断开逆变主电路10的输出时，电极上的焊接电流为第二工作电流。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，也可设置：当逆变主电路输出第一工作电流时，逆变辅助电路不向电极输出第二工作电流；仅当控制器切断逆变主电路输出时，逆变辅助电路才向电极输出第二工作电流。具体电路上则可在逆变辅助电路上设置一开关，当检测到液桥即将熔断时开关闭合，连通逆变辅助电路和电极之间的通路。

于本实施例中，如图2所示，逆变辅助电路30的输入端连接于焊接电源的变压器T的副边且并联于逆变主电路10。逆变辅助电路30包括由四个辅助IGBT管Q11，Q12，Q13，Q14和分别并联于四个辅助IGBT管上的四个续流二极管DQ11，DQ12，DQ13，DQ14所组成的逆变辅助模块31。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，逆变主电路也可由四个三极管、MOS管等其它电子元器件组成以实现逆变输出。

为使逆变辅助电路30上的第二工作电流限定在一较小值，于本实施例中，逆变辅助电路30还包括串联于逆变辅助模块31上的限流元件32。于本实施例中，限流元件32为电抗器。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，如图3所示，也可在逆变辅助电路内增加限流电阻来降低其输出电流。

本实施例提供的短路型交流焊接控制电路中，控制器20切断逆变主电路10的输出是基于检测组件40检测到的电参数表征液桥即将熔断这一条件。通过分析液桥的状态与焊接电流和工作电压的关系发现：在短路期间内，熔滴与工件上的熔池接触后焊接电流迅速增加，而工作电压则下降到一很低的电压值，随着熔滴缩颈现象的出现，焊接电流仍然继续增加，而工作电压也一直维持在低电压值或者是缓慢的增加。而当液桥即将断开时，焊接电流开始下降，而工作电压则开始迅速上升。因此，可通过检测焊接电流和工作电压的微分来判断液桥的状态。即当焊接电流的微分从正转换为负时；或者工作电压的微分超过预定值时则判定液桥即将熔断，控制器20则根据这一检测信号来切断逆变主电路10的输出。

于本实施例中，以检测组件40检测电压的微分值来作为判断条件，其具体电路如图4所示，微分电路100接收理后的电极电压反馈信号，经微分计算后输出至微分放大器200进行信号放大。经微分放大器200放大后的输出值比较器300与参照电压进行比较，比较结果输出至控制器20。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，也可通过检测电极上的焊接电流来作为液桥即将熔断的判断条件。

在消耗电极式的交流焊接中有脉冲焊接方式，为保证脉冲特性明显，脉冲焊接电流峰值需要保持在相对大的幅值，其作用是熔化焊丝，并促进熔滴过渡。脉冲焊接电流基值则需保持在相对低的幅值，其作用是预热焊丝，并维持电弧发生。焊接电流在基值与峰值之间反复快速切换。如果脉冲参数选择恰当，焊接过程将保持稳定，熔滴将呈现滴状过渡特征，实现一脉一滴。在实现脉冲焊接电流波形时，为了保证一定的电流上升斜率和电流下降斜率，往往在输出端串联感量较小的电感，但电感量太小首先会造成电流的纹波较大，其次容易受到外界干扰影响。在焊接脉冲基值电流较小时，以上两种情况都会导致电弧熄灭的概率增大。

为解决这一问题，于本实施例中，如图2所示，短路型交流焊接控制电路还包括一串联连接于逆变辅助电路30上的以降低基值电流纹波的储能电感L。本实施例提供的短路型交流焊接控制电路中，在大电流的峰值焊接期间，大部分的焊接电流经低阻抗的逆变主电路10输出，逆变辅助电路30上流经很小的电流，该小电流在储能电感L上产生的电感量很小，其对整个交流焊接控制电路的电感影响很小，保证了焊接电流脉冲具有一定的上升斜率和下降斜率，从而实现一脉一滴的性能。当脉冲焊接电流处于基值时，逆变主电路10上的电流下降，对应的其上的电感量也将下降，此时逆变辅助电路30上的储能电感L增大了基值阶段下整个交流焊接控制电路的电感量，从而大大减小了基值电流的纹波，降低基值阶段下电弧熄灭的概率，提高电弧的稳定性。

相比传统的在逆变主电路上增加大体积的电感以减小基值电流纹波的方案，逆变辅助电路30上储能电感L的设置在减小基值电流纹波的同时确保大电流的峰值焊接期间逆变主电路10上的电感量很小，其不仅不会对焊接脉冲的上升和下降斜率造成影响；且由于逆变主电路10上的电感量小，逆变主电路10上设置的电感的体积可以做到很小，大大减小逆变主电路10的体积。

与上述短路型交流焊接控制电路相对应的，本实施例还提供一包含上述短路型交流焊接控制电路的短路型交流焊接电源。

实施例二

本实施例与实施例一及其变化基本相同，区别在于：如图5所示，逆变辅助电路还包括连接于逆变辅助模块31的续流阻断模块33。当检测到液桥即将熔断时控制器20切断逆变主电路10的输出，续流阻断模块33阻断逆变辅助模块31和电极之间的续流回路以迅速降低短路型交流焊接控制电路的输出电流。

在实施例一提供的短路型交流焊接控制电路中，在逆变辅助电路30中，第一辅助IGBT管Q11和第三辅助IGBT管Q13组成第一导通臂，而第二辅助IGBT管Q12和第四辅助IGBT管Q14组成第二导通臂。为提高IGBT管的性能，于本实施例中，每个辅助IGBT管上均具并联有续流二极管，当控制器20切断逆变主电路10上的输出时，逆变辅助电路30上的四个辅助IGBT管以及四个续流二极管将会与电极之间构成续流回路。

以控制器20关断第一主IGBT管Q1和第三主IGBT管Q3为例详细介绍逆变辅助电路30上的续流回路。此时，在逆变辅助电路30上，第一辅助IGBT管Q11和第三辅助IGBT管Q13组成第一导通臂处于导通状态，而第二辅助IGBT管Q12和第四辅助IGBT管Q14组成第二导通臂则处于关断状态。

续流回路①：正极输出端OUT1→负极输出端OUT2→第三辅助IGBT管Q13→第四辅助IGBT管Q14上的续流二极管DQ14→正极输出端OUT1；

续流回路②：正极输出端OUT1→负极输出端OUT2→第二辅助IGBT管Q12上的续流二极管DQ12→第一辅助IGBT管Q11→正极输出端OUT1。

同样的，当控制器20关断第二主IGBT管Q2和第四主IGBT管Q4时，第一辅助IGBT管Q11上的续流二极管DQ11和第三辅助IGBT管Q13上的续流二极管DQ13也提供了两条续流回路。

续流回路①和续流回路②的存在使得尽管控制器20切断了逆变主电路10的输出，但短路型交流焊接控制电路的焊接电流却仍然无法迅速降低，液桥熔断时仍然具有很大的能量。为解决这一问题，本实施例提供的短路型交流焊接控制电路中，在逆变辅助电路30上增加了阻断上述续流回路的续流阻断组件33。具体而言，如图5所示，续流阻断组件33包括分别与四个辅助IGBT管上的续流二极管反向串联的续流阻断二级管D1，D2，D3，D4。每个续流阻断二极管与其对应的辅助IGBT管的导通方向一致，因此其不会影响逆变辅助电路的特性；其与对应的辅助IGBT管上的续流二极管反向串联则很好的阻断了续流回路。具体而言，以控制器20关断第一主IGBT管Q1和第三主IGBT管Q3为例：

续流回路①：正极输出端OUT1→负极输出端OUT2→第三辅助IGBT管Q13→D3→D4，由于D4处于反向状态，续流被阻断。

续流回路②：正极输出端OUT1→负极输出端OUT2→第二辅助IGBT管Q12上的续流二极管DQ12→D2，由于D2处于反向状态，续流被阻断。

逆变辅助电路30上续流回路的阻断使得当控制器20切断逆变主电路10的输出时，短路型交流焊接控制电路的焊接电流迅速下降至逆变辅助电路30输出的第二工作电流上，从而实现焊接电流的迅速下降，确保液桥熔断时具有很小的能量，从而降低熔断时的飞溅。

于本实施例中，如图5所示，四个续流阻断二级管D1，D2，D3，D4分别连接于储能电感L和对应的辅助IGBT管之间。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，如图6、图6A以及图6B所示，四个续流阻断二级管D1，D2，D3，D4可与其对应的辅助IGBT管交换位置进行连接。

实施例三

本实施例于实施例一及其变化基本相同，区别在于：如图7所示，逆变辅助电路30中的逆变辅助模块31仅由四个辅助IGBT管Q11，Q12，Q13，Q14组成。由于无续流二极管，逆变辅助模块31和电极之间无续流回路。

在该逆变辅助电路30，任意时刻只有其中一个导通臂导通，另外一个导通臂则完全处于截止状态。由于逆变辅助模块31上不存在续流回路，在液桥即将熔断且控制器20关断逆变主电路的输出时，电极上的电流将无法进行续流，因此得以快速地下降。

实施例四

本实施例与实施例一及其变化基本相同，区别在于，如图8所示，逆变辅助电路30包括一与储能电感L相连接的恒流源34，恒流源34为逆变辅助电路提供一电流值较小的第二工作电流。

同样的，恒流源34的设置使得在短路期间内，当控制器20切断逆变主电路10的输出时，逆变辅助电路30输出一小电流值的第二工作电流来促使液桥熔断并抑制熔断时的飞溅。进一步的，该逆变辅助电路30上的第二工作电流还实现了在非脉冲基值期间储能电感L上产生的电感量不会影响焊接电流脉冲的特性，焊接电流脉冲实现一脉一滴。而在脉冲基值期间，该第二工作电流在储能电感L上产生的电感量则有效地降低了基值电流的纹波。

综上所述，本发明提供的短路型交流焊接控制电路及焊接电源中控制器控制逆变主电路的输出。在进入燃弧期间时，逆变主电路输出电流值较大的第一工作电流以熔化电极产生熔滴。随着熔滴的不断变大，熔滴与工件上的熔池相接触形成短路状态，焊接电流迅速增大，熔滴开始缩颈且熔滴上的液桥即将断裂。此时控制器迅速切断逆变主电路的输出，同时逆变辅助电路为电极提供一电流值较小的第二工作电流，焊接电流迅速降低至第二工作电流上，第二工作电流促使液桥熔断，熔滴从电极上分离。迅速降低的焊接电流则大大减小了液桥熔断时的能量，从而有效地抑制熔断时产生的飞溅，大大减小焊接后工件上的溅洒。本发明提供的短路型交流焊接控制电路中，逆变主电路输出的第一工作电流为燃弧期间内熔滴的形成和短路末期的缩颈提供了条件；而逆变辅助电路的设置则大大降低了液桥断裂时的能量，从而达到减小飞溅的目的。

此外，在液桥即将熔断时，为迅速降低短路型交流焊接控制电路的输出电流，逆变辅助电路上还设置有续流阻断模块，续流阻断模块阻断了电极和逆变辅助模块之间的续流回路，从而使得短路型交流焊接控制电路的输出电流能快速地从第一工作电流下降到第二工作电流上。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (10)

1.一种短路型交流焊接控制电路，其特征在于，适用于消耗电极式的短路型交流焊接电源，所述短路型交流焊接控制电路包括：

逆变主电路，连接于所述短路型交流焊接电源的变压器的副边，所述逆变主电路被配置为向电极输出第一工作电流；

控制器，连接于所述逆变主电路，在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将熔断时，所述控制器切断逆变主电路的输出；

逆变辅助电路，被配置为在逆变主电路输出第一工作电流或被控制器切断输出时均向电极输出一维持电弧的第二工作电流，第二工作电流小于第一工作电流。

2.根据权利要求1所述的短路型交流焊接控制电路，其特征在于，所述逆变主电路包括四个主IGBT管，所述控制器分别连接于四个主IGBT管，在短路期间内，当检测到的电参数表征液桥即将熔断时，控制器关断当前导通的两个主IGBT管以使四个主IGBT管均处于截止状态。

3.根据权利要求1所述的短路型交流焊接控制电路，其特征在于，所述逆变辅助电路包括：

与电极相连接以输出第二工作电流的逆变辅助模块，所述逆变辅助模块和电极之间形成续流回路；以及

连接于所述逆变辅助模块的续流阻断模块，在控制器切断逆变主电路的输出时，所述续流阻断模块阻断逆变辅助模块和电极之间的续流回路。

4.根据权利要求3所述的短路型交流焊接控制电路，其特征在于，所述逆变辅助模块包括四个辅助IGBT管和分别并联于四个辅助IGBT管的四个续流二极管，所述续流阻断模块包括四个阻断二极管，四个阻断二极管分别与四个续流二极管反向串联。

5.根据权利要求1所述的短路型交流焊接控制电路，其特征在于，所述逆变辅助电路包括与电极相连接以输出第二工作电流的逆变辅助模块，所述逆变辅助模块和电极之间无续流回路。

6.根据权利要求3所述的短路型交流焊接控制电路，其特征在于，所述逆变辅助电路的输入端连接于所述焊接电源的变压器的副边且并联于所述逆变主电路，所述逆变辅助电路还包括串联于逆变辅助模块的限流元件，所述限流元件限制逆变辅助电路输出的第二工作电流。

7.根据权利要求6所述的短路型交流焊接控制电路，其特征在于，所述限流元件为限流电阻或电抗器。

8.根据权利要求1所述的短路型交流焊接控制电路，其特征在于，所述焊接控制电路包括一连接于逆变辅助电路输入端的恒流源，所述恒流源为逆变辅助电路提供一小于第一工作电流的第二工作电流。

9.根据权利要求1所述的短路型交流焊接控制电路，其特征在于，所述焊接控制电路还包括一串联连接于逆变辅助电路上的以降低基值电流纹波的储能电感。

10.一种短路型交流焊接电源，其特征在于，包括权利要求1~9任一项所述的短路型交流焊接控制电路。

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