CN111805087A - 双光束激光焊接方法及焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及双光束激光焊接方法及焊接装置。该双光束激光焊接方法包括：利用双光束激光对搭接接头进行焊接；在焊接的过程中，改变双光束激光的光束间距，以使搭接接头的下层板熔深的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限。一方面，该焊接方法能够有效改善焊缝表面成形质量，显著提高焊接过程的稳定性；另一方面，该焊接方法能保证搭接接头的焊缝满足各类搭接接头不同焊缝强度的设计要求。进一步的，该焊接方法能提高对搭接接头的装配间隙的适应性，还能有效扩展焊接工艺窗口，大大提高对焊接工艺的适应性。

Description

双光束激光焊接方法及焊接装置

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及双光束激光焊接方法及焊接装置。

背景技术

由于不锈钢材料具有强度高、耐蚀性好等优点，已经在众多领域得到了广泛的应用。不锈钢作为车体材料可无需涂装、成型美观，因此在轨道交通领域应用日益增多。不锈钢车体中，侧墙的主要结构为由侧墙板与增强构件形成的搭接接头，而针对搭接接头目前主要采用激光焊接手段进行焊接，对焊缝成形质量要求非常严格，具体包括：一方面，为了满足连接强度要求，搭接接头的上层板和下层板的结合面需要具有一定熔宽；另一方面为了满足车体无涂装的要求，搭接接头下层板的熔深需要严格控制。

但是，如图1至图3所示，传统薄板不锈钢搭接接头的焊接过程为利用单光束激光3实施焊接，其中，单光束激光3的焊接方向为图1中箭头E所示，搭接接头的上层板的厚度为第一厚度t1，搭接接头的下层板的厚度为第二厚度t2。尤其是针对外露面有商品化要求的无涂装不锈钢车体的侧墙板与增强构件之间的搭接接头，其传统焊接过程至少会存在以下问题：

(1)由于匙孔等离子体的周期性变化，则单光束激光3对应的下层板熔深q也会出现明显的波动，图3示出了单光束激光对应的下层板熔深q的波动变化幅度情况，这样明显的波动容易使得搭接接头下层板2的熔深的变化过大，从而导致外露面凸出变形影响外观质量；

(2)在搭接接头的上层板1和下层板2的结合面上，搭接接头装配间隙会导致单光束激光对应的结合面熔宽m的数值减小，从而不能满足搭接接头焊缝的强度要求；

(3)能同时满足对单光束激光对应的结合面熔宽m的要求以及单光束激光对应的下层板熔深q要求的焊接工艺窗口较小，工艺适应性差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种双光束激光焊接方法，以解决单光束激光对应的焊缝熔深会出现明显的波动，可能会使得搭接接头下层板的熔深加大，从而导致外露面凸出变形影响外观质量。

本发明还提出一种双光束激光焊接装置。

根据本发明一方面实施例的一种双光束激光焊接方法，包括：

利用双光束激光对搭接接头进行焊接；

在所述焊接的过程中，改变所述双光束激光的光束间距，以使所述搭接接头的下层板熔深的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限。

根据本发明的一个实施例，所述改变所述双光束激光的光束间距，以使所述搭接接头的下层板熔深的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限的步骤，进一步包括：

改变所述光束间距和/或其他关键参数，以使所述下层板熔深的变化幅度不低于预设的熔深阈值下限，并且所述搭接接头的结合面熔宽的变化幅度不低于预设的熔宽阈值下限；

其中，所述其他关键参数包括所述双光束激光的激光功率和/或焊接速度。

根据本发明的一个实施例，所述下层板熔深的变化与所述光束间距的变化成反比，并且所述搭接接头的结合面熔宽的变化与所述光束间距的变化成正比。

根据本发明的一个实施例，所述双光束激光包括第一激光光束和第二激光光束，所述第一激光光束和所述第二激光光束分别并列的位于所述搭接接头上的焊缝中心线两侧，所述第一激光光束的光轴与所述第二激光光束的光轴平行，并且所述第一激光光束的光轴和所述第二激光光束的光轴分别与所述焊缝中心线的距离相等；所述双光束激光的光束间距为所述第一激光光束的光轴与所述第二激光光束的光轴之间的距离。

根据本发明的一个实施例，所述第一激光光束的光轴与所述第二激光光束的光轴之间的连线垂直于所述双光束激光的焊接方向。

根据本发明的一个实施例，所述第一激光光束的能量与所述第二激光光束的能量相等。

根据本发明另一方面实施例的一种执行如上所述的双光束激光焊接方法的焊接装置，包括：

激光器，用于向搭接接头的上层板表面发射双光束激光；

焊接控制机构，与所述激光器连接，用于利用所述双光束激光对搭接接头进行焊接；

光束调节机构，与所述激光器连接，用于在所述焊接的过程中，改变所述双光束激光的光束间距，以使所述搭接接头的下层板熔深的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限。

根据本发明的一个实施例，所述激光器包括：

一个激光发射模块，与所述焊接控制机构连接，用于向所述搭接接头的上层板表面发射一束单光束激光；

分光模块，分别与所述激光发射模块和所述光束调节机构连接，用于将所述单光束激光处理为所述双光束激光。

根据本发明的一个实施例，所述激光器包括：

两个激光发射模块，分别与所述焊接控制机构和所述光束调节机构连接，用于同步的向所述搭接接头上发射两束并列的单光束激光，以在所述搭接接头上形成所述双光束激光。

根据本发明的一个实施例，所述激光器为CO₂激光器、光纤激光器、Nd:YAG固体激光器或半导体激光器。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明实施例所述的一种双光束激光焊接方法，包括：利用双光束激光对搭接接头进行焊接，从而显著提高焊接过程的稳定性；并且，在焊接的过程中，通过改变双光束激光的光束间距，以使搭接接头的下层板熔深的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限，从而能够有效将搭接接头的下层板熔深的波动变化幅度控制在预设范围内，并且使下层板熔深的波动变化更加平缓。一方面，该焊接方法能够有效改善焊缝表面成形质量，显著提高焊接过程的稳定性；另一方面，该焊接方法能保证搭接接头的焊缝满足各类搭接接头不同焊缝强度的设计要求。

进一步的，该焊接方法能提高对搭接接头的装配间隙的适应性，还能有效扩展焊接工艺窗口，大大提高对焊接工艺的适应性。

本发明实施例的一种双光束激光焊接装置，由于能够执行上述的双光束激光焊接方法，从而使得该焊接装置具有上述双光束激光焊接方法的全部优点，在此不再赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的单光束激光与搭接接头之间的位置关系的示意图；

图2是图1中所示的A-A向的结构示意图；

图3是图1中所示的B-B向的结构示意图；

图4是本发明实施例的双光束激光焊接方法中双光束激光与搭接接头之间的位置关系示意图；

图5是图4中所示的F-F向的结构示意图；

图6是图4中所示的G-G向的结构示意图；

图7是本发明实施例的双光束激光的第一间距对应的搭接接头结合面的熔宽示意图；

图8是本发明实施例的双光束激光的第二间距对应的搭接接头结合面的熔宽示意图。

附图标记：

1：上层板；2：下层板；t1：第一厚度；t2：第二厚度；

3：单光束激光；q：单光束激光对应的下层板熔深；m：单光束激光对应的结合面熔宽；

31：第一激光光束；32：第二激光光束；D：光束间距；D1：第一间距；D2：第二间距；p：下层板熔深；w：结合面熔宽；w1：熔宽阈值下限；w2：熔宽阈值上限；

E：焊接方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图4至图6所示，本发明实施例提供了一种双光束激光焊接方法(本发明实施例中简称为“焊接方法”)。该焊接方法包括：

利用双光束激光对搭接接头进行焊接；并且在焊接的过程中，改变双光束激光的光束间距D，以使搭接接头的下层板熔深p的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限。

本实施例所述的焊接方法中，一方面，该焊接方法利用双光束激光对搭接接头进行焊接，并且在双光束激光的焊接过程中，通过改变双光束激光的光束间距D，以使搭接接头的下层板熔深p的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限，从而能够有效将搭接接头的下层板熔深p的波动变化幅度控制在预设的熔深阈值上限以下，并且使下层板熔深p的波动变化更加平缓，从而有效改善焊缝表面成形质量，显著提高焊接过程的稳定性。

另一方面，该焊接方法所述的双光束激光的光束间距D灵活可调，从而既可以实现对下层板熔深p的调控，又可以对焊缝的结合面熔宽w进行灵活调节，从而能使搭接接头的焊缝能够满足各类搭接接头焊缝强度的设计要求。

进一步的，该焊接方法还能提高对搭接接头的装配间隙的适应性，还能有效扩展焊接工艺窗口，大大提高对焊接工艺的适应性。

需要说明的是，如图4所示，双光束激光包括第一激光光束31和第二激光光束32，第一激光光束31和第二激光光束32分别并列的位于搭接接头上的焊缝中心线两侧，其中，第一激光光束31的光轴与第二激光光束32的光轴平行，并且第一激光光束31的光轴和第二激光光束32的光轴分别与焊缝中心线的距离相等，以使第一激光光束31和第二激光光束32在搭接接头上形成对称均匀的焊缝。双光束激光的光束间距D为第一激光光束31的光轴与第二激光光束32的光轴之间的距离。在焊接过程中，两条激光光束(即第一激光光束31和第二激光光束32)可以同步的沿图4所示的焊接方向E行进，并且在行进过程中，两条激光光束相互干涉，从而在搭接接头的焊缝结合面形成如图5所示的焊缝结构。双激光光束利用两条激光光束在焊接过程中的相互干涉，从而显著提高焊接过程的稳定性和焊接效率。

本实施例的焊接方法中，焊接对象为搭接接头。搭接接头包括竖向叠置的上层板1和下层板2。图4中示出了上层板1的厚度为第一厚度t1，下层板2的厚度为第二厚度t2。

可理解的是，第一激光光束31和第二激光光束32分别垂直的入射至搭接接头的上层板1的表面，以利用最小能量实现双光束激光自上层板1焊透至下层板2内，从而更易实现上层板1与下层板2之间可靠的焊接固定。

可理解的是，第一激光光束31的光轴与第二激光光束32的光轴之间的连线垂直于双光束激光的焊接方向E，以保证第一激光光束31和第二激光光束32在焊接过程中始终保持并列行进，从而提高第一激光光束31与第二激光光束32彼此之间产生的干涉作用，进而提高对搭接接头焊缝的影响程度。

可理解的是，第一激光光束31的能量与第二激光光束32的能量相等，以保证焊缝成型过程更为均衡，并且第一激光光束31和第二激光光束32的相互产生的干涉作用更为平衡。

需要说明的是，本发明实施例所述的焊接方法中，双光束激光被设置为如图4所示：第一激光光束31和第二激光光束32分别并列的位于搭接接头上的焊缝中心线两侧，第一激光光束31的光轴与第二激光光束32的光轴平行，第一激光光束31的光轴和第二激光光束32的光轴分别与焊缝中心线的距离相等；并且，第一激光光束31和第二激光光束32分别垂直的入射至搭接接头的上层板1的表面；并且，第一激光光束31的光轴与第二激光光束32的光轴之间的连线垂直于双光束激光的焊接方向E；并且，第一激光光束31的能量与第二激光光束32的能量相等。这样的结构设置能够将两条激光光束之间的干涉作用最大化，从而改善了焊缝的熔池流动方式，使得焊接过程达到最稳定的状态，并且焊缝的熔深波动始终保持在预设的熔深阈值上限以下，从而大大提高焊缝表面成形质量。

在一个实施例中，上述的改变双光束激光的光束间距D，以使搭接接头的下层板熔深p的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限的步骤，进一步包括：

改变光束间距D和/或其他关键参数，以使下层板熔深p的变化幅度不低于预设的熔深阈值下限，并且搭接接头的结合面熔宽w的变化幅度不低于预设的熔宽阈值下限；

其中，上述的其他关键参数包括双光束激光的激光功率和/或焊接速度。

需要说明的是，下层板熔深p的变化与光束间距D的变化成反比，并且搭接接头的结合面熔宽w的变化与光束间距D的变化成正比。即是说，增大双光束间距D，既可以减小下层板熔深p，也可以增大结合面熔宽w；反之，减小双光束间距D，既可以增大下层板熔深p，也可以减小结合面熔宽w。可通过调节双光束激光的光束间距D对结合面熔宽w进行调节，以满足不用强度要求的搭接接头对结合面熔宽w的要求，则工艺适应性能得到大大提高。

在一个实施例中，可以预先基于焊缝强度设计要求，确定焊缝的结合面熔宽w的熔宽阈值范围(特别是确定熔宽阈值下限w1)，并通过双激光光束的光束间距D，确定下层板熔深p的熔深阈值范围。则在上述的熔深阈值范围和熔宽阈值范围内，通过合理调整光束间距D和/或上述的其他关键参数，从而将下层板熔深p的变化幅度控制在熔深阈值下限以上，并且始终不高于熔深阈值上限；同时，将搭接接头的结合面熔宽w的变化幅度控制在预设的熔宽阈值下限w1以上，以实现基于尽可能小的下层板熔深p，获得能够满足强度要求的结合面熔宽w，从而在满足强度要求的情况下，尽可能将双激光光束对下层板2的焊接作用降至最低，以得到质量最优的搭接接头外露面。

具体的，图7示出了熔宽阈值下限w1对应的第一间距D1；图8示出了熔宽阈值上限w2对应的第二间距D2。则通过控制双激光光束的光束间距D在第一间距D1和第二间距D2之间变化，并且根据需要调节激光功率和/或焊接速度，从而将结合面熔宽w控制在熔宽阈值下限w1以上，以保证焊缝能够满足焊缝强度设计的要求；并在满足焊缝强度设计要求的前提下，将下层板熔深p的变化幅度始终控制在熔深阈值下限以上。为了使焊缝能够满足强度要求，本实施例所述的光束间距D的调节范围为0.2毫米至1.0毫米。

可理解的是，本实施例所述的熔深阈值上限和熔深阈值下限是熔深阈值范围的最大值和最小值；熔宽阈值上限w1和熔宽阈值下限w2是熔宽阈值范围的最大值和最小值。

由上述内容可知，如图1至图3所示的传统单光束激光焊接的过程中，由于光斑直径较小且能量密度大，则为了使单光束激光对应的结合面熔宽m能够满足焊缝的强度要求，相应的，单光束激光对应的下层板熔深q也会较大，如图2所示；并且，如图3所示，传统单光束激光焊接的过程中，熔池的波动很大导致焊接过程非常不稳定。上述情况极易导致焊缝熔深波动范围过大并且波动过于剧烈，从而容易造成下层板2的外露面产生变形。

相对的，如图4所示，本实施例所述的焊接方法利用双光束激光实施焊接，则双光束激光在搭接接头表面产生的有效热源面积也相应增大，因此搭接接头的上层板1和下层板2的结合面熔宽w相应增大，如图5所示；并且，如图6所示，在焊接过程中，利用能量相等、并列设置且对称设置的双光束激光能够更好的改善了熔池流动的方式，使得双光束激光产生的熔池波动更为平缓，可见本实施例所述的焊接方法能够形成更为稳定的焊接过程，下层板熔深p的波动幅度减小，波动过程更为平缓，从而使得焊缝表面成形的质量也相应提高，并且既能使搭接接头的焊缝能够满足各类搭接接头焊缝强度的设计要求，又能提高对搭接接头的装配间隙的适应性，还能有效扩展焊接工艺窗口，大大提高对焊接工艺的适应性。

以下给出一个具体的试验例和对比例，以对本实施例所述的焊接方法的效果进行详细说明。

焊接对象为搭接接头。其中，搭接接头的上层板1的第一厚度t1为0.8毫米，下层板2的第二厚度t2为2毫米。

对比例的焊接过程采用单光束激光焊接，单光束激光的激光功率为2000瓦，焊接速度为5米每分钟时，单光束激光对应的下层板熔深q为1.0毫米，单光束激光对应的结合面熔宽m为0.70毫米。

试验例的焊接过程采用双光束激光焊接，双光束激光的光束间距D为0.6毫米，两条激光光束的激光功率均为1000瓦，焊接速度为5米每分钟时，双光束激光对应的下层板熔深p为0.47毫米，双光束激光对应的结合面熔宽w为1.34毫米。

由此可见，试验例的焊缝对应的下层板熔深p明显小于对比例，并且试验例的焊缝对应的结合面熔宽w明显大于对比例。并且试验例的下层板熔深p的波动程度明显比对比例平缓。

基于上述的双光束激光焊接方法，本发明实施例还提供了一种执行如上所述的双光束激光焊接方法的焊接装置。如图4所示，该焊接装置包括激光器(图中未示出)、焊接控制机构和光束调节机构。激光器用于向搭接接头的上层板1的表面发射双光束激光；焊接控制机构与激光器连接，用于利用双光束激光对搭接接头进行焊接；光束调节机构与激光器连接，用于在焊接的过程中，改变双光束激光的光束间距D，以使搭接接头的下层板熔深p的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限。该焊接装置既能够对搭接接头进行稳定可靠的焊接，并且能保证焊缝满足强度设计要求，还能改善焊缝表面成型的质量，提高对搭接接头的装配间隙的适应性。

在一个实施例中，激光器包括一个激光发射模块和分光模块。该激光发射模块与焊接控制机构连接，用于向搭接接头的上层板1的表面发射一束单光束激光；分光模块分别与激光发射模块和光束调节机构连接，并且安装在激光发射模块与搭接接头之间，用于将激光器发出的单光束激光通过分光作用处理为双光束激光。该焊接装置通过设置分光模块，从而将单光束激光分为两条平行的激光光束以实现双光束激光焊接，具有设备改造简单、操作方便的优点。

在一个实施例中，激光器包括两个激光发射模块。这两个激光发射模块并列设置，并且分别与焊接控制机构和光束调节机构连接，用于同步的向搭接接头上发射两束并列的单光束激光，以在搭接接头上形成双光束激光。

在一个实施例中，上述的激光器可以为CO₂激光器、光纤激光器、Nd:YAG固体激光器或半导体激光器等。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种双光束激光焊接方法，其特征在于，包括：

利用双光束激光对搭接接头进行焊接；

在所述焊接的过程中，改变所述双光束激光的光束间距，以使所述搭接接头的下层板熔深的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限。

2.根据权利要求1所述的双光束激光焊接方法，其特征在于，所述改变所述双光束激光的光束间距，以使所述搭接接头的下层板熔深的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限的步骤，进一步包括：

改变所述光束间距和/或其他关键参数，以使所述下层板熔深的变化幅度不低于预设的熔深阈值下限，并且所述搭接接头的结合面熔宽的变化幅度不低于预设的熔宽阈值下限；

其中，所述其他关键参数包括所述双光束激光的激光功率和/或焊接速度。

3.根据权利要求2所述的双光束激光焊接方法，其特征在于，所述下层板熔深的变化与所述光束间距的变化成反比，并且所述搭接接头的结合面熔宽的变化与所述光束间距的变化成正比。

4.根据权利要求1至3任一项所述的双光束激光焊接方法，其特征在于，所述双光束激光包括第一激光光束和第二激光光束，所述第一激光光束和所述第二激光光束分别并列的位于所述搭接接头上的焊缝中心线两侧，所述第一激光光束的光轴与所述第二激光光束的光轴平行，并且所述第一激光光束的光轴和所述第二激光光束的光轴分别与所述焊缝中心线的距离相等；所述双光束激光的光束间距为所述第一激光光束的光轴与所述第二激光光束的光轴之间的距离。

5.根据权利要求4所述的双光束激光焊接方法，其特征在于，所述第一激光光束的光轴与所述第二激光光束的光轴之间的连线垂直于所述双光束激光的焊接方向。

6.根据权利要求4所述的双光束激光焊接方法，其特征在于，所述第一激光光束的能量与所述第二激光光束的能量相等。

7.一种执行如权利要求1至6任一项所述的双光束激光焊接方法的焊接装置，其特征在于，包括：

激光器，用于向搭接接头的上层板表面发射双光束激光；

焊接控制机构，与所述激光器连接，用于利用所述双光束激光对搭接接头进行焊接；

光束调节机构，与所述激光器连接，用于在所述焊接的过程中，改变所述双光束激光的光束间距，以使所述搭接接头的下层板熔深的变化幅度不高于预设的熔深阈值上限。

8.根据权利要求7所述的焊接装置，其特征在于，所述激光器包括：

一个激光发射模块，与所述焊接控制机构连接，用于向所述搭接接头的上层板表面发射一束单光束激光；

分光模块，分别与所述激光发射模块和所述光束调节机构连接，用于将所述单光束激光处理为所述双光束激光。

9.根据权利要求7所述的焊接装置，其特征在于，所述激光器包括：

两个激光发射模块，分别与所述焊接控制机构和所述光束调节机构连接，用于同步的向所述搭接接头上发射两束并列的单光束激光，以在所述搭接接头上形成所述双光束激光。

10.根据权利要求7所述的焊接装置，其特征在于，所述激光器为CO₂激光器、光纤激光器、Nd:YAG固体激光器或半导体激光器。

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