CN114346365A - 一种便携式数字化水下焊接电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式数字化水下焊接电源，包括：数字控制模块、单向电源模块、双向电源模块和储能电池模块，数字控制模块分别与单向电源模块和双向电源模块连接，单向电源模块还分别与三相交流电网、双向电源模块、焊接电弧和工件连接，双向电源模块还与储能电池模块连接，储能电池模块作为储备电源，用于通过双向电源模块和单向电源模块为焊接电弧和工件供电。本发明可用于在浅水区域作业时与三相交流电源连接，并经过单向电源模块为焊接电弧供电，进而进行水下焊接作业；当在需要导线较长的工况时，可直接启动电源内部的储能电池模块和双向电源模块，并经过单向电源模块为焊接电弧供电，进而进行水下焊接作业。

Description

一种便携式数字化水下焊接电源

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种便携式数字化水下焊接电源。

背景技术

随着陆地资源的枯竭，海洋资源的开发得到了极大发展，各类海洋工程和设备的投入大幅增加，例如海上石油钻井平台、海底石油管道、舰船维修等。由于海水常年的侵蚀作用，海洋设备会出现各种故障，如果采用更换的方式，需要消耗大量的成本，因此，修补设备成为更好的选择。

水下修补普遍采用焊接的方式，但水下焊接的环境相对于陆地更为苛刻，由于水流的极冷作用、导电作用和扰动作用，对焊接电源提出了更高的要求。目前水下焊接采用普通的陆上焊接电源，陆上焊接电源在进行水下焊接时主要存在以下缺陷：

（1）水下焊条尽管添加了大量的造气剂和稳弧剂，但水中的引弧过程仍然比较困难，因此需要更高的电压和电流来保证引弧。

（2）焊接位置常常处于水下较深处或距离陆地较远，需要水上供电，因此焊接电源的导线较长，但由于水下环境十分复杂，导线容易发生缠绕，且导线较长时回路的寄生参数也变得更加复杂。

（3）焊接电源采用普通的Si器件，导致电源体积庞大，工作效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式数字化水下焊接电源，用于解决现有技术中存在的至少一个问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种便携式数字化水下焊接电源，包括：数字控制模块、单向电源模块、双向电源模块和储能电池模块；

所述数字控制模块分别与所述单向电源模块和所述双向电源模块连接，并基于数字信号处理器为所述单向电源模块和所述双向电源模块提供PWM信号；

所述单向电源模块还分别与三相交流电网、所述双向电源模块、焊接电弧和工件连接，用于接收所述三相交流电网输出的电能，并将电能转化为直流输出至焊接电弧和工件；

所述双向电源模块还与所述储能电池模块连接，用于通过所述单向电源模块接收三相交流电网的部分电能，并将电能传输到所述储能电池模块进行存储；

所述储能电池模块作为储备电源，用于通过所述双向电源模块和所述单向电源模块为焊接电弧和工件供电。

在一种可能的设计中，所述单向电源模块包括依次连接的直流电能转化电路、高频方波交流电能转化电路、直流方波电能转化电路以及直流滤波电路；

所述直流电能转化电路与三相交流电网连接，用于将三相交流电网输出的电能转化为直流电能；

所述高频方波交流电能转化电路用于在所述数字控制模块的PWM信号驱动下，将所述直流电能转换为高频方波交流电能；

所述直流方波电能转化电路用于对所述高频方波交流电能进行隔离降压和整流后转化为直流方波电能；

所述直流滤波电路用于将所述直流方波电能滤波为直流并输出给焊接电弧和工件。

在一种可能的设计中，所述直流电能转化电路包括整流桥BR、第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，所述整流桥BR一端连接三相交流电网，另一端依次连接所述第一滤波电感L1和所述第一滤波电容C1；

所述高频方波交流电能转化电路包括由第一SiC开关管Q1、第二SiC开关管Q2、第三SiC开关管Q3和第四SiC开关管Q4组成的全桥逆变电路，所述全桥逆变电路的一端分别连接至所述整流桥BR的另一端和所述第一滤波电感L1；

所述直流方波电能转化电路包括高频变压器T、第一整流二极管D1和第二整流二极管D2，所述高频变压器T的原边连接至所述全桥逆变电路的另一端，所述高频变压器T的副边分别连接至所述第一整流二极管D1的正极和所述第二整流二极管D2的正极，所述高频变压器T副边上的抽头连接至焊接电弧和工件；

所述直流滤波电路包括第二滤波电感L2和第二滤波电容C2，所述第二滤波电感L2的一端与所述第一整流二极管D1的负极和所述第二整流二极管D2的负极连接，所述第二滤波电感L2的另一端连接焊接电弧和工件，所述第二滤波电容C2的一端与所述第二滤波电感L2的另一端连接，所述第二滤波电容C2的另一端连接焊接电弧和工件。

在一种可能的设计中，所述双向电源模块包括第五SiC开关管Q5、第六SiC开关管Q6、第七SiC开关管Q7、第八SiC开关管Q8、第三滤波电感L3、第四滤波电感L4、第三滤波电容C3和第四滤波电容C4；

所述第五SiC开关管Q5的一端分别与所述第一滤波电感L1和所述第八SiC开关管Q8的一端连接，另一端分别与所述第六SiC开关管Q6的一端和所述第三滤波电感L3的一端连接，所述第六SiC开关管Q6的另一端分别与所述第一滤波电容C1和所述第七SiC开关管Q7的一端连接，所述第七SiC开关管Q7的另一端分别与所述第八SiC开关管Q8的另一端和所述第四滤波电感L4的一端连接，所述第四滤波电感L4的另一端分别与所述第四滤波电容C4的一端和所述储能电池模块的负极连接，所述第四滤波电容C4的另一端与所述第三滤波电容C3的一端连接，所述第三滤波电容C3的另一端分别与所述第三滤波电感L3的另一端和所述储能电池模块的正极连接。

在一种可能的设计中，所述双向电源模块的工作模式包括正向工作模式；

其中，在正向工作模式时，所述第五SiC开关管Q5和第六SiC开关管Q6，所述第七SiC开关管Q7和第八SiC开关管Q8分别施加有互补的PWM信号，此时三相交流电网的部分电能经过所述单向电源模块为焊接电弧和工件供电，部分电能经过所述双向电源模块传输至所述储能电池模块进行存储。

在一种可能的设计中，所述双向电源模块的工作模式还包括反向工作模式；

其中，在反向工作模式时，所述第五SiC开关管Q5和所述第七SiC开关管Q7施加有高电平的PWM信号，所述第六SiC开关管Q6和所述第八SiC开关管Q8施加有低电平的PWM信号，此时所述储能电池模块中存储的电能依次经过正极、所述第三滤波电感L3和所述第五SiC开关管Q5传输到所述全桥逆变电路，并经过所述全桥逆变电路处理后依次经过所述第七SiC开关管Q7和所述第四滤波电感L4返回所述储能电池模块的负极。

在一种可能的设计中，所述数字控制模块还用于基于模数转换器对所述单向电源模块和所述双向电源模块进行故障检测以及电流电压反馈。

在一种可能的设计中，所述数字信号处理器包括DSP、ARM或FPGA。

在一种可能的设计中，所述数字控制模块、所述单向电源模块和所述双向电源模块一体封装成型。

有益效果：

本发明通过设置包括数字控制模块、单向电源模块、双向电源模块和储能电池模块的水下焊接电源，当在浅水区域作业时，可以与三相交流电源连接，并经过单向电源模块为焊接电弧供电，进而进行水下焊接作业；当在深水区域或者远离电网区域等需要导线较长的工况时，可以直接启动电源内部的储能电池模块和双向电源模块，并经过单向电源模块为焊接电弧供电，进而进行水下焊接作业，克服了传统焊接电源需要依靠电网进行供电，导线过长导致作业效率欠佳的弊。同时，在采用三相交流电网进行供电时，若发生电网断开的故障，可自动切换到采用内部储能电池进行供电，以保证焊接过程不中断，保证焊接质量。此外，本发明采用SiC开关管，能够提供更大的功率且设备更加小巧轻便，易于携带；同时，由于SiC开关管高速的开关速度和频率，可以基于数字控制模块发送的PWM控制信号迅速地将电流电压调节至设定值，保证水下焊接的安全。

附图说明

图1为本实施例中的系统框图；

图2为本实施例中的单向电源模块和双向电源模块电路结构图；

图3为本实施例中的单向电源模块PWM控制时序图；

图4为本实施例中的双向电源模块正向工作PWM控制时序图；

图5为本实施例中的双向电源模块反向工作PWM控制时序图。

其中，1-数字控制模块；2-单向电源模块；3-双向电源模块；4-储能电池模块。

具体实施方式

为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1-图5所示，本实施例提供一种便携式数字化水下焊接电源，包括：数字控制模块1、单向电源模块2、双向电源模块3和储能电池模块4；

所述数字控制模块1分别与所述单向电源模块2和所述双向电源模块3连接，并基于数字信号处理器为所述单向电源模块2和所述双向电源模块3提供PWM（Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制）信号；

所述单向电源模块2还分别与三相交流电网、所述双向电源模块3、焊接电弧和工件连接，用于接收所述三相交流电网输出的电能，并将电能转化为直流输出至焊接电弧和工件；

具体的，所述单向电源模块2的正极与所述焊接电弧连接，负极与所述工件连接形成焊接回路。

所述双向电源模块3还与所述储能电池模块4连接，用于通过所述单向电源模块2接收三相交流电网的部分电能，并将电能传输到所述储能电池模块4进行存储；

所述储能电池模块4作为储备电源，用于通过所述双向电源模块3和所述单向电源模块2为焊接电弧和工件供电。

基于上述公开的内容，本实施例通过设置包括数字控制模块1、单向电源模块2、双向电源模块3和储能电池模块4的水下焊接电源，当在浅水区域作业时，可以与三相交流电源连接，并经过单向电源模块2为焊接电弧供电，进而进行水下焊接作业；当在深水区域或者远离电网区域等需要导线较长的工况时，可以直接启动电源内部的储能电池模块4和双向电源模块3，并经过单向电源模块2为焊接电弧供电，进而进行水下焊接作业，克服了传统焊接电源需要依靠电网进行供电，导线过长导致作业效率欠佳的弊。同时，在采用三相交流电网进行供电时，若发生电网断开的故障，可自动切换到采用内部储能电池进行供电，以保证焊接过程不中断，保证焊接质量。

其中，优选的，所述数字控制模块1还用于基于模数转换器对所述单向电源模块2和所述双向电源模块3进行故障检测以及电流电压反馈，此外，所述数字控制模块1还用于进行人机交互以及实时监控等，以对整个水下焊接电源进行协调控制。

其中，优选的，所述数字信号处理器包括DSP（Digital Signal Processin，数字信号处理）、ARM（Advanced Reduced Instruction Set Computer Machines，

先进的精简指令集计算机处理器）或FPGA（Field Programmable Gate Array，

现场可编程逻辑门阵列），用于向所述单向电源模块2和所述双向电源模块3分别提供PWM驱动信号。

其中，优选的，所述数字控制模块1、所述单向电源模块2和所述双向电源模块3一体封装成型；具体的，所述数字控制模块1、所述单向电源模块2和所述双向电源模块3组装后封装为一个整体，从而在水下作业时便于携带和使用。

在一种具体的实施方式中，所述单向电源模块2包括依次连接的直流电能转化电路、高频方波交流电能转化电路、直流方波电能转化电路以及直流滤波电路；

所述直流电能转化电路与三相交流电网连接，用于将三相交流电网输出的电能转化为直流电能；

所述高频方波交流电能转化电路用于在所述数字控制模块1的PWM信号驱动下，将所述直流电能转换为高频方波交流电能；

所述直流方波电能转化电路用于对所述高频方波交流电能进行隔离降压和整流后转化为直流方波电能；

所述直流滤波电路用于将所述直流方波电能滤波为直流并输出给焊接电弧和工件。

如图2所示，在一种具体的实施方式中，所述直流电能转化电路包括整流桥BR、第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，所述整流桥BR一端连接三相交流电网，另一端依次连接所述第一滤波电感L1和所述第一滤波电容C1；工作时，所述整流桥BR、第一滤波电感L1和第一滤波电容C1将三相电流电网电能转化为直流电能；

所述高频方波交流电能转化电路包括由第一SiC（碳化硅）开关管Q1、第二SiC开关管Q2、第三SiC开关管Q3和第四SiC开关管Q4组成的全桥逆变电路，所述全桥逆变电路的一端分别连接至所述整流桥BR的另一端和所述第一滤波电感L1；工作时，所述第一SiC开关管Q1、第二SiC开关管Q2、第三SiC开关管Q3和第四SiC开关管Q4分别在所述数字控制模块1的PWM1信号、PWM2信号、PWM3信号和PWM4信号的驱动下，将直流电能转化为高频方波交流电能；其中，如图3所示，所述一SiC开关管Q1和所述第三SiC开关管Q3施加有互补的PWM信号，即图中的PWM1和PWM3，所述第二SiC开关管Q2和第四SiC开关管Q4施加有互补的PWM信号，即图中的PWM2和PWM4。

所述直流方波电能转化电路包括高频变压器T、第一整流二极管D1和第二整流二极管D2，所述高频变压器T的原边连接至所述全桥逆变电路的另一端，所述高频变压器T的副边分别连接至所述第一整流二极管D1的正极和所述第二整流二极管D2的正极，所述高频变压器T副边上的抽头连接至焊接电弧和工件；工作时，所述高频变压器T将高频交流方波电能进行隔离降压，并在所述第一整流二极管D1和所述第二整流二极管D2的作用下转化为直流方波电能；

所述直流滤波电路包括第二滤波电感L2和第二滤波电容C2，所述第二滤波电感L2的一端与所述第一整流二极管D1的负极和所述第二整流二极管D2的负极连接，所述第二滤波电感L2的另一端连接焊接电弧和工件，所述第二滤波电容C2的一端与所述第二滤波电感L2的另一端连接，所述第二滤波电容C2的另一端连接焊接电弧和工件。工作时，所述二滤波电感L2和第二滤波电容C2将直流方波电能滤波转化为直流并输出给焊接电弧和工件。

如图2所示，在一种具体的实施方式中，所述双向电源模块3包括第五SiC开关管Q5、第六SiC开关管Q6、第七SiC开关管Q7、第八SiC开关管Q8、第三滤波电感L3、第四滤波电感L4、第三滤波电容C3和第四滤波电容C4；

所述第五SiC开关管Q5的一端分别与所述第一滤波电感L1和所述第八SiC开关管Q8的一端连接，另一端分别与所述第六SiC开关管Q6的一端和所述第三滤波电感L3的一端连接，所述第六SiC开关管Q6的另一端分别与所述第一滤波电容C1和所述第七SiC开关管Q7的一端连接，所述第七SiC开关管Q7的另一端分别与所述第八SiC开关管Q8的另一端和所述第四滤波电感L4的一端连接，所述第四滤波电感L4的另一端分别与所述第四滤波电容C4的一端和所述储能电池模块4的负极连接，所述第四滤波电容C4的另一端与所述第三滤波电容C3的一端连接，所述第三滤波电容C3的另一端分别与所述第三滤波电感L3的另一端和所述储能电池模块4的正极连接。

如图4所示，在一种具体的实施方式中，所述双向电源模块3的工作模式包括正向工作模式；

其中，在正向工作模式时，所述第五SiC开关管Q5和第六SiC开关管Q6，所述第七SiC开关管Q7和第八SiC开关管Q8分别施加有互补的PWM信号，即图中的PWM5和PWM6为互补的PWM信号，PWM7和PWM8为互补的PWM信号。

此时三相交流电网的部分电能经过所述单向电源模块2为焊接电弧和工件供电，部分电能经过所述双向电源模块3传输至所述储能电池模块4进行存储，以便在电网断开时或在远离电网区域进行作业时，作为备用电源为焊接电弧供电。

如图5所示，在一种具体的实施方式中，所述双向电源模块3的工作模式还包括反向工作模式；

其中，在反向工作模式时，所述第五SiC开关管Q5和所述第七SiC开关管Q7施加有高电平的PWM信号，所述第六SiC开关管Q6和所述第八SiC开关管Q8施加有低电平的PWM信号，即图中的PWM5和PWM6为高电平信号，PWM7和PWM8为低电平信号，此时所述储能电池模块4中存储的电能依次经过正极、所述第三滤波电感L3和所述第五SiC开关管Q5传输到所述全桥逆变电路，并经过所述全桥逆变电路处理后依次经过所述第七SiC开关管Q7和所述第四滤波电感L4返回所述储能电池模块4的负极，实现为焊接电弧供电。

基于上述公开的内容，本实施例通过采用SiC开关管，能够提供更大的功率且设备更加小巧轻便，易于携带；此外，由于在水下焊接时，电流电压受到的干扰因素较多，因此对焊接电源的动态调节能力具有较高要求，本实施例通过实时采集输出的电流电压信号，并通过数字控制模块1进行计算，得到PWM控制信号，由于SiC开关管高速的开关速度和频率，可以基于数字控制模块1发送的PWM控制信号迅速地将电流电压调节至设定值，保证水下焊接的安全。

在实际应用中，本实施例可以应用于多种水下焊接作业场景。例如：当在浅水区域作业时，电源所需导线较短，则可以通过水面设置的三相交流电网供电，此时三相交流电网电能经单向电源模块2给焊接电弧供电，同时，部分电能经过双向电源模块3给储能电池充电进行电能储备。在焊接过程中，数字控制模块1不断巡检三相交流电网，如发生临时停电等故障情况，则立即启用储能电池模块4作为备用电源，经过双向电源模块3为单向电源模块2供电，进而为焊接电弧供电。又例如：当作业区域位于深水、远离陆地的海域或者野外山地，没有电网供电或者需要的导线较长时，则直接启用储能电池模块4进行供电，可以脱离电网独立进行水下焊接作业，操作方便。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式数字化水下焊接电源，其特征在于，包括：数字控制模块（1）、单向电源模块（2）、双向电源模块（3）和储能电池模块（4）；

所述数字控制模块（1）分别与所述单向电源模块（2）和所述双向电源模块（3）连接，并基于数字信号处理器为所述单向电源模块（2）和所述双向电源模块（3）提供PWM信号；

所述单向电源模块（2）还分别与三相交流电网、所述双向电源模块（3）、焊接电弧和工件连接，用于接收所述三相交流电网输出的电能，并将电能转化为直流输出至焊接电弧和工件；

所述双向电源模块（3）还与所述储能电池模块（4）连接，用于通过所述单向电源模块（2）接收三相交流电网的部分电能，并将电能传输到所述储能电池模块（4）进行存储；

所述储能电池模块（4）作为储备电源，用于通过所述双向电源模块（3）和所述单向电源模块（2）为焊接电弧和工件供电。

2.根据权利要求1所述的便携式数字化水下焊接电源，其特征在于，所述单向电源模块（2）包括依次连接的直流电能转化电路、高频方波交流电能转化电路、直流方波电能转化电路以及直流滤波电路；

所述直流电能转化电路与三相交流电网连接，用于将三相交流电网输出的电能转化为直流电能；

所述高频方波交流电能转化电路用于在所述数字控制模块（1）的PWM信号驱动下，将所述直流电能转换为高频方波交流电能；

所述直流方波电能转化电路用于对所述高频方波交流电能进行隔离降压和整流后转化为直流方波电能；

所述直流滤波电路用于将所述直流方波电能滤波为直流并输出给焊接电弧和工件。

3.根据权利要求2所述的便携式数字化水下焊接电源，其特征在于，所述直流电能转化电路包括整流桥BR、第一滤波电感L1和第一滤波电容C1，所述整流桥BR一端连接三相交流电网，另一端依次连接所述第一滤波电感L1和所述第一滤波电容C1；

所述高频方波交流电能转化电路包括由第一SiC开关管Q1、第二SiC开关管Q2、第三SiC开关管Q3和第四SiC开关管Q4组成的全桥逆变电路，所述全桥逆变电路的一端分别连接至所述整流桥BR的另一端和所述第一滤波电感L1；

所述直流方波电能转化电路包括高频变压器T、第一整流二极管D1和第二整流二极管D2，所述高频变压器T的原边连接至所述全桥逆变电路的另一端，所述高频变压器T的副边分别连接至所述第一整流二极管D1的正极和所述第二整流二极管D2的正极，所述高频变压器T副边上的抽头连接至焊接电弧和工件；

所述直流滤波电路包括第二滤波电感L2和第二滤波电容C2，所述第二滤波电感L2的一端与所述第一整流二极管D1的负极和所述第二整流二极管D2的负极连接，所述第二滤波电感L2的另一端连接焊接电弧和工件，所述第二滤波电容C2的一端与所述第二滤波电感L2的另一端连接，所述第二滤波电容C2的另一端连接焊接电弧和工件。

4.根据权利要求3所述的便携式数字化水下焊接电源，其特征在于，所述双向电源模块（3）包括第五SiC开关管Q5、第六SiC开关管Q6、第七SiC开关管Q7、第八SiC开关管Q8、第三滤波电感L3、第四滤波电感L4、第三滤波电容C3和第四滤波电容C4；

所述第五SiC开关管Q5的一端分别与所述第一滤波电感L1和所述第八SiC开关管Q8的一端连接，另一端分别与所述第六SiC开关管Q6的一端和所述第三滤波电感L3的一端连接，所述第六SiC开关管Q6的另一端分别与所述第一滤波电容C1和所述第七SiC开关管Q7的一端连接，所述第七SiC开关管Q7的另一端分别与所述第八SiC开关管Q8的另一端和所述第四滤波电感L4的一端连接，所述第四滤波电感L4的另一端分别与所述第四滤波电容C4的一端和所述储能电池模块（4）的负极连接，所述第四滤波电容C4的另一端与所述第三滤波电容C3的一端连接，所述第三滤波电容C3的另一端分别与所述第三滤波电感L3的另一端和所述储能电池模块（4）的正极连接。

5.根据权利要求4所述的便携式数字化水下焊接电源，其特征在于，所述双向电源模块（3）的工作模式包括正向工作模式；

其中，在正向工作模式时，所述第五SiC开关管Q5和第六SiC开关管Q6，所述第七SiC开关管Q7和第八SiC开关管Q8分别施加有互补的PWM信号，此时三相交流电网的部分电能经过所述单向电源模块（2）为焊接电弧和工件供电，部分电能经过所述双向电源模块（3）传输至所述储能电池模块（4）进行存储。

6.根据权利要求5所述的便携式数字化水下焊接电源，其特征在于，所述双向电源模块（3）的工作模式还包括反向工作模式；

其中，在反向工作模式时，所述第五SiC开关管Q5和所述第七SiC开关管Q7施加有高电平的PWM信号，所述第六SiC开关管Q6和所述第八SiC开关管Q8施加有低电平的PWM信号，此时所述储能电池模块（4）中存储的电能依次经过正极、所述第三滤波电感L3和所述第五SiC开关管Q5传输到所述全桥逆变电路，并经过所述全桥逆变电路处理后依次经过所述第七SiC开关管Q7和所述第四滤波电感L4返回所述储能电池模块（4）的负极。

7.根据权利要求1所述的便携式数字化水下焊接电源，其特征在于，所述数字控制模块（1）还用于基于模数转换器对所述单向电源模块（2）和所述双向电源模块（3）进行故障检测以及电流电压反馈。

8.根据权利要求1所述的便携式数字化水下焊接电源，其特征在于，所述数字信号处理器包括DSP、ARM或FPGA。

9.根据权利要求1所述的便携式数字化水下焊接电源，其特征在于，所述数字控制模块（1）、所述单向电源模块（2）和所述双向电源模块（3）一体封装成型。

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