CN115232924B - 一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置及方法,所述装置包括激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统、对中系统、控制系统。所述局部深冷辅助系统包括隔温液室、液氮和隔温橡胶层。所述方法利用激光冲击的高应变率效应,提高晶粒细化程度,并产生残余压应力,从而提高力学性能和抗疲劳性能;利用超低温深冷‑脉冲电流辅助耦合作用,减小变形抗力,提升材料的塑性性能,避免了成形件因塑性差而发生脆性断裂。隔温橡胶层的使用有效避免了约束层在超低温环境下失效和透光性下降。液氮作为传力介质,既均化了冲击波压力,又实现了局部深冷辅助成形,大大节省液氮。
Description
技术领域
本发明属于激光冲击成形领域,特别涉及一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置及方法。
背景技术
近年来,随着微机电、生物医学、航空航天领域的不断发展,对产品的微型化需求日益增多,而产品的微型化促使具有圆角、倒角等复杂微细特征的零件的应用日益广泛。传统微冲裁、微拉深、微弯曲等塑性加工工艺在成形复杂微型零部件时,面临以下难题:即变形增大时,金属材料发生晶粒细化,工件的强度提高,而塑性急剧降低,强度-塑性制约关系限制了其可加工性,导致在加工过程中易发生脆性断裂。
激光冲击成形在微型零件成形方面具有显著优势,其应变率高达106s-1,借助激光冲击的高应变率效应,既可以产生剧烈塑性变形,使位错累积形成位错胞或位错墙,同时诱导产生形变孪晶或剪切带,从而提高晶粒细化程度,大幅提高材料的力学性能;又会在工件表面生成残余压应力层,从而提高成形件的疲劳寿命。但是,单一的激光冲击成形方法改善强塑性制约关系程度有限,如专利CN101745740B采用中空光束辐射板材表面诱导冲击波,从而使材料变形均匀性和极限变形深度增加。但受到材料强塑性制约关系影响,随着材料强度的提升,工件的塑性仍会降低。此外,现有的激光冲击成形工艺都是在室温下进行,在未冲击区域及材料中性层会产生残余拉应力,无法在超低温环境下长期使用,成形件寿命较短。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明提供了一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置及方法。
本发明通过如下技术手段实现:
一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置,包括激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统、对中系统和控制系统;
所述局部深冷辅助系统包括隔温液室、液氮和隔温橡胶层,隔温液室位于工件的上侧,隔温液室的中心设置有液氮,液氮的上部设置有隔温橡胶层,液氮产生冲击波压力;
所述控制系统用于激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统和对中系统;
所述强脉冲电流辅助系统包括脉冲电源、左电极夹、右电极夹,脉冲电源与左电极夹和右电极夹相连,工件的两端分别与左电极夹和右电极夹相连,左电极夹和右电极夹对工件施加强脉冲电流;
所述的激光冲击成形系统包括脉冲激光器、反射镜、透镜支架、聚焦透镜、底座、外模具、内部凹模、工件、紧固螺栓、吸收层、约束层和压边圈;
所述透镜支架固定连接在底座的上部,聚焦透镜安装在支架上,聚焦透镜放置于脉冲激光经反射镜反射后的光路上,所述外模具设置在底座上,内部凹模放置在外模具内,外模具内设置有左电极夹和右电极夹,工件放置在外模具内,工件位于内部凹模的上侧,隔温液室放置在外模具内,吸收层位于隔温液室和隔温橡胶层的上侧,吸收层的上侧设置有约束层,压边圈上插有紧固螺栓,紧固螺栓的下端通过螺纹连接在外模具上,压边圈压在约束层上;所述隔温橡胶层、液氮、工件、内部凹模依次置于吸收层下方;
隔温液室为圆柱形,隔温液室的中心设置有圆柱形孔,液氮位于圆柱形孔内。
进一步,所述局部深冷辅助系统还包括截止阀、低温液氮泵和单向阀,低温液氮泵依次与单向阀、截止阀相连,控制带有隔温橡胶层的隔温液室中液氮的加载和卸载。
进一步,所述对中系统用于完成光斑中心与隔温液室中心的对中;所述对中系统包括CCD传感器、图像采集器和三维移动平台;三维移动平台设置在底座上,外模具安装在三维移动平台的上侧。
进一步,所述控制系统包括激光控制器、计算机、三维移动平台控制器、低温液氮泵控制器和脉冲电源控制器;所述激光控制器、三维移动平台控制器、低温液氮泵控制器、脉冲电源控制器均与计算机相连;所述激光控制器与脉冲激光器相连;所述三维移动平台控制器与三维移动平台相连;所述低温液氮泵控制器依次与低温液氮泵相连;所述脉冲电源控制器与脉冲电源相连;所述CCD传感器依次与图像采集器和计算机相连。
进一步,所述约束层为K9玻璃、水、硅油的透明物质;吸收层为黑漆或者铝箔。
进一步,所述隔温橡胶层由耐低温橡胶制造,表面涂覆一层隔热材料薄膜;隔温液室和内部凹模由隔温陶瓷或塑料制造,并在表面涂覆一层隔热材料薄膜;所述外模具上与工件接触表面、左电极夹和右电极夹与外模具接触表面喷涂了隔热耐压高电阻率绝缘涂料。
进一步,所述脉冲激光器用来发出脉冲激光,激光光斑直径为2mm。
进一步,所述反射镜与脉冲激光器呈45°;隔温液室中心的圆柱形孔的直径为2.5mm。
使用一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置对成形件进行成形的方法,该方法包括以下步骤:
S1:光斑和液室中心对中:将隔温液室放入外模具中;将吸收层、约束层依次放置于隔温液室上方;激光控制器操纵脉冲激光器发出调试光,CCD传感器记录调试光光斑直径与液室中心的相对位置,图像采集器处理后输入计算机,计算机发出指令带动三维移动平台完成光斑中心和液室中心的对中;关闭脉冲激光器;依次取出约束层、吸收层、隔温液室;
S2:装置搭建和局部深冷处理:将待加工工件经左电极夹和右电极夹夹持后放入内部凹模上;内部凹模上放置带有隔温橡胶层的隔温液室;将吸收层、约束层依次放在隔温液室上;用紧固螺栓将压边圈与外模具连接;低温液氮泵控制器控制低温液氮泵和单向阀配合加载液氮;液氮加满后经10min深冷处理,待工件均匀冷却到-190℃~-140℃后,给低温液氮泵控制器信号,控制低温液氮泵和截止阀关闭,停止加载;
S3:强脉冲电流处理:计算机控制脉冲电源控制器开启脉冲电源,通过左电极夹和右电极夹给工件通电流大小为3500A~7500A,电压为20V~180V的强脉冲电流;
S4:工件激光冲击成形:脉冲激光器开启,发出的激光经过反射镜、聚焦透镜、约束层后辐射吸收层;吸收层吸收激光能量气化产生等离子体,等离子体爆炸推动隔温橡胶层向下运动,压缩隔温液室中液氮产生冲击波压力,与内部凹模配合,在工件上成形出所需的形貌,深冷保温5min;
S5:成形装置拆卸和工件取出:低温液氮泵控制器控制低温液氮泵将液氮排出;拧开紧固螺栓,依次取下压边圈、约束层、吸收层、隔温液室、隔温橡胶层、工件、左电极夹和右电极夹;然后从S2开始进入下一个循环。
本发明产生的有益效果在于:
1.本发明提出的强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形方法,利用激光冲击成形超高应变速率,显著提高晶粒细化程度,从而强化成形件强度等力学性能,并生成残余应力层,从而显著提升抗疲劳性能。此外,利用超低温深冷-电流辅助耦合作用大幅度提高了材料的塑性性能,改善了现有成形工艺的强度-塑性限制关系,避免了超低温成形下脆性断裂的发生;
2.成形件在超低温下成形,减少了室温下进行激光冲击成形所产生的残余拉应力,冲击成形的时候伴随着强化作用,在深冷条件下,其强化所提高的性能稳定性好,在深冷环境下成形件的寿命大大提高;
3.隔温橡胶层的存在既避免了吸收层与超低温液氮直接接触,造成约束层出现破裂,又避免了空气中的水蒸气因超低温在约束层上表面形成水滴或冰粒,降低约束层的透光率,降低成形质量;
4.液氮作为传力介质,实现了局部深冷辅助成形,一者可以传递和均化冲击波压力,更有利于成形具有圆角、凸台的复杂特征形貌;二者仅在稍大于激光光斑直径的区域上进行局部深冷处理,且依靠回路实现了循环利用,可以在减少液氮的使用量,经济性好,且与整体装置深冷辅助相比,成形件的升降温速度快,成形所需时间短,效率高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置的结构示意图;
图2是本发明的强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形方法流程图。
图中:底座1;三维移动平台2;脉冲电源3;截止阀4;低温液氮泵5;脉冲电源控制器6;低温液氮泵控制器7;三维移动平台控制器8;单向阀9;计算机10;图像采集器11;CCD传感器12;激光控制器13;脉冲激光器14;外模具15;内部凹模16;左电极夹17;工件18;右电极夹19;隔温液室20;液氮21;隔温橡胶层22;紧固螺栓23;吸收层24;约束层25;压边圈26;透镜支架27;聚焦透镜28;反射镜29。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施对本发明作出进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示,本发明所述的强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置包括激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统、对中系统和控制系统;所述激光冲击成形系统用于在工件18上成形出所需形貌;所述强脉冲电流辅助系统包括脉冲电源3、左电极夹17和右电极夹19,外模具15上与工件18接触表面、左电极夹17和右电极夹19与外模具15接触表面喷涂隔热耐压高电阻率绝缘涂料;脉冲电源3通过左电极夹17和右电极夹19对工件18施加强脉冲电流;所述局部深冷辅助系统包括截止阀4、低温液氮泵5、单向阀9、隔温液室20、液氮21和材质为耐低温橡胶且表面涂覆隔热材料薄膜的隔温橡胶层22,在低温液氮泵控制器7的作用下,控制液氮21的加载和卸载;所述对中系统用于完成光斑中心与隔温液室20中心的对中;所述控制系统用于控制激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统和对中系统。
通过激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统和局部深冷辅助系统相互配合,在激光超高应变率-超低温深冷-电流辅助耦合作用下,既可以在成形过程中提高了晶粒细化程度,提高了成形件的强度等力学性能,并生成残余应力层从而提升常温下的抗疲劳性能;又可以利用超低温深冷-电流辅助耦合作用大幅度提高了材料的塑性性能,改善了现有成形工艺的强度-塑性限制关系,避免了超低温成形下脆性断裂的发生。
如图1所示,所述的激光冲击成形系统包括脉冲激光器14、反射镜29、透镜支架27、聚焦透镜28、底座1、外模具15、内部凹模16、工件18、紧固螺栓23、吸收层24、约束层25和压边圈26;
所述透镜支架27固定连接在底座1的上部,聚焦透镜28安装在支架27上,聚焦透镜28放置于脉冲激光经反射镜29反射后的光路上,所述外模具15设置在底座1上,内部凹模16放置在外模具15内,外模具15内设置有左电极夹17和右电极夹19,工件18放置在外模具15内,工件18位于内部凹模16的上侧,内部凹模16的上侧设置有微特征,当工件18压在内部凹模16上时可以通过微特征对工件18进行成形,隔温液室20放置在外模具15内,吸收层24位于隔温液室20和隔温橡胶层22的上侧,吸收层24的上侧设置有约束层25,压边圈26上插有紧固螺栓23,紧固螺栓23的下端通过螺纹连接在外模具15上,通过旋动紧固螺栓23的方式可以带动压边圈26下压,使得压边圈26压在材质为K9玻璃、水、硅油等透明物质的约束层25和材质为黑漆或者铝箔的吸收层24上;所述隔温橡胶层22、液氮21、工件18和内部凹模16依次置于吸收层24下方;所述隔温液室20和内部凹模16采用隔温陶瓷或者塑料制造,并在表面涂覆一层隔热材料薄膜,这层隔热材料薄膜可以阻止温度传递;激光光斑直径为2mm,隔温液室20中间孔直径为2.5mm。隔温液室20为圆柱形,隔温液室20的中心设置有圆柱形孔,液氮21位于圆柱形孔内,圆柱形孔用来存储液氮21,隔温橡胶层22设置在圆柱形孔的最上端。
液氮21可以使得成形件在超低温下成形,减少了室温下进行激光冲击成形所产生的残余拉应力,冲击成形的时候伴随着强化作用,在深冷条件下,其强化所提高的性能稳定性好,在深冷环境下成形件的寿命大大提高;
隔温橡胶层22的存在既避免了吸收层24与超低温液氮21直接接触,造成约束层25出现破裂,又避免了空气中的水蒸气因超低温在约束层25上表面形成水滴或冰粒,降低约束层的透光率,降低成形质量;
通过液氮21作为传力介质,实现了局部深冷辅助成形,一者可以传递和均化冲击波压力,更有利于成形具有圆角、凸台的复杂特征形貌;二者仅在稍大于激光光斑直径的区域上进行局部深冷处理,且依靠回路实现了循环利用,可以在减少液氮的使用量,经济性好,且与整体装置深冷辅助相比,成形件的升降温速度快,成形所需时间短,效率高。
如图1所示,所述对中系统用于完成光斑中心与隔温液室20中心的对中;所述对中系统包括CCD传感器12、图像采集器11和三维移动平台2;三维移动平台2设置在底座1上,三维移动平台2为现有技术中可以沿X轴和Y轴移动的平台,外模具15安装在三维移动平台2的上侧。
如图1所示,所述控制系统包括激光控制器13、计算机10、三维移动平台控制器8、低温液氮泵控制器7和脉冲电源控制器6;所述激光控制器13、三维移动平台控制器8、低温液氮泵控制器7、脉冲电源控制器6均与计算机10相连,通过计算机10控制激光控制器13、三维移动平台控制器8、低温液氮泵控制器7和脉冲电源控制器6;所述激光控制器13与脉冲激光器14相连,激光控制器13用来控制脉冲激光器14;所述三维移动平台控制器8与三维移动平台2相连,三维移动平台控制器8用来控制三维移动平台2;所述低温液氮泵控制器7与低温液氮泵5相连,低温液氮泵控制器7用来控制低温液氮泵5;所述脉冲电源控制器6与脉冲电源3相连,脉冲电源控制器6用来控制脉冲电源3的开关;所述CCD传感器12依次与图像采集器11和计算机10相连,CCD传感器12将信息传递给图像采集器11,图像采集器11又将信息传递给计算机10。
使用一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置对成形件进行成形的方法,该方法包括以下步骤:
S1:光斑和液室中心对中:将隔温液室20放入外模具15中;将吸收层24、约束层25依次放置于隔温液室20上方;激光控制器13操纵脉冲激光器14发出调试光,CCD传感器12记录调试光光斑直径与液室中心的相对位置,图像采集器11处理后输入计算机10,计算机10发出指令带动三维移动平台2完成光斑中心和液室中心的对中;关闭脉冲激光器14;依次取出约束层25、吸收层24、隔温液室20;
S2:装置搭建和局部深冷处理:将待加工工件18经左电极夹17和右电极夹19夹持后放入内部凹模16上;内部凹模16上放置带有隔温橡胶层22的隔温液室20;将吸收层24、约束层25依次放在隔温液室20上;用紧固螺栓23将压边圈26与外模具15连接;低温液氮泵控制器7控制低温液氮泵5和单向阀9配合加载液氮21;液氮21加满后经10min深冷处理,待工件18均匀冷却到-190℃~-140℃后,给低温液氮泵控制器7信号,控制低温液氮泵5和截止阀4关闭,停止加载;
S3:强脉冲电流处理:计算机10发射信号给脉冲电源控制器6,控制脉冲电源3开启,通过左电极夹17和右电极夹19给工件18通电流大小为3500A~7500A,电压为20V~180V的强脉冲电流;
S4:工件激光冲击成形:脉冲激光器14开启,发出的激光经过反射镜29、聚焦透镜28、约束层25后辐射吸收层24;吸收层24吸收激光能量气化产生等离子体,等离子体爆炸推动隔温橡胶层22向下运动,压缩隔温液室20中液氮21产生冲击波压力,与内部凹模16配合,在工件18上成形出所需的形貌,深冷保温5min;
S5:成形装置拆卸和工件取出:低温液氮泵控制器7控制低温液氮泵5将液氮21排出;拧开紧固螺栓23,依次取下压边圈26、约束层25、吸收层24、隔温液室20、隔温橡胶层22、工件18、左电极夹17和右电极夹19;然后从S2开始进入下一个循环。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本技术领域的人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置,包括激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统、对中系统和控制系统,其特征在于:
所述局部深冷辅助系统包括隔温液室(20)、液氮(21)和隔温橡胶层(22),隔温液室(20)位于工件(18)的上侧,隔温液室(20)的中心设置有液氮(21),液氮(21)的上部设置有隔温橡胶层(22),液氮(21)产生冲击波压力;
所述控制系统用于激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统和对中系统;
所述强脉冲电流辅助系统包括脉冲电源(3)、左电极夹(17)、右电极夹(19),脉冲电源(3)与左电极夹(17)和右电极夹(19)相连,工件(18)的两端分别与左电极夹(17)和右电极夹(19)相连,左电极夹(17)和右电极夹(19)对工件(18)施加强脉冲电流;
所述的激光冲击成形系统包括脉冲激光器(14)、反射镜(29)、透镜支架(27)、聚焦透镜(28)、底座(1)、外模具(15)、内部凹模(16)、工件(18)、紧固螺栓(23)、吸收层(24)、约束层(25)和压边圈(26);
所述透镜支架(27)固定连接在底座(1)的上部,聚焦透镜(28)安装在支架(27)上,聚焦透镜(28)放置于脉冲激光经反射镜(29)反射后的光路上,所述外模具(15)设置在底座(1)上,内部凹模(16)放置在外模具(15)内,外模具(15)内设置有左电极夹(17)和右电极夹(19),工件(18)放置在外模具(15)内,工件(18)位于内部凹模(16)的上侧,隔温液室(20)放置在外模具(15)内,吸收层(24)位于隔温液室(20)和隔温橡胶层(22)的上侧,吸收层(24)的上侧设置有约束层(25),压边圈(26)上插有紧固螺栓(23),紧固螺栓(23)的下端通过螺纹连接在外模具(15)上,压边圈(26)压在约束层(25)上;所述隔温橡胶层(22)、液氮(21)、工件(18)、内部凹模(16)依次置于吸收层(24)下方;
隔温液室(20)为圆柱形,隔温液室(20)的中心设置有圆柱形孔,液氮(21)位于圆柱形孔内;
所述局部深冷辅助系统还包括截止阀(4)、低温液氮泵(5)和单向阀(9),低温液氮泵(5)依次与单向阀(9)、截止阀(4)相连,控制带有隔温橡胶层(22)的隔温液室(20)中液氮(21)的加载和卸载;
所述对中系统用于完成光斑中心与隔温液室(20)中心的对中;所述对中系统包括CCD传感器(12)、图像采集器(11)和三维移动平台(2);三维移动平台(2)设置在底座(1)上,外模具(15)安装在三维移动平台(2)的上侧;
所述控制系统包括激光控制器(13)、计算机(10)、三维移动平台控制器(8)、低温液氮泵控制器(7)和脉冲电源控制器(6);所述激光控制器(13)、三维移动平台控制器(8)、低温液氮泵控制器(7)、脉冲电源控制器(6)均与计算机(10)相连;所述激光控制器(13)与脉冲激光器(14)相连;所述三维移动平台控制器(8)与三维移动平台(2)相连;所述低温液氮泵控制器(7)依次与低温液氮泵(5)相连;所述脉冲电源控制器(6)与脉冲电源(3)相连;所述CCD传感器(12)依次与图像采集器(11)和计算机(10)相连;
所述约束层(25)为K9玻璃、水、硅油的透明物质;吸收层(24)为黑漆或者铝箔;
所述隔温橡胶层(22)由耐低温橡胶制造,表面涂覆一层隔热材料薄膜;隔温液室(20)和内部凹模(16)由隔温陶瓷或塑料制造,并在表面涂覆一层隔热材料薄膜;所述外模具(15)上与工件(18)接触表面、左电极夹(17)和右电极夹(19)与外模具(15)接触表面喷涂了隔热耐压高电阻率绝缘涂料。
2.根据权利要求1所述的一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置,其特征在于:所述脉冲激光器(14)用来发出脉冲激光,激光光斑直径为2mm。
3.根据权利要求1所述的一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置,其特征在于:所述反射镜(29)与脉冲激光器(14)呈45°;隔温液室(20)中心的圆柱形孔的直径为2.5mm。
4.使用权利要求1所述的一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置对成形件进行成形的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
S1:光斑和液室中心对中:将隔温液室(20)放入外模具(15)中;将吸收层(24)、约束层(25)依次放置于隔温液室(20)上方;激光控制器(13)操纵脉冲激光器(14)发出调试光,CCD传感器(12)记录调试光光斑直径与液室中心的相对位置,图像采集器(11)处理后输入计算机(10),计算机(10)发出指令带动三维移动平台(2)完成光斑中心和液室中心的对中;关闭脉冲激光器(14);依次取出约束层(25)、吸收层(24)、隔温液室(20);
S2:装置搭建和局部深冷处理:将待加工工件(18)经左电极夹(17)和右电极夹(19)夹持后放入内部凹模(16)上;内部凹模(16)上放置带有隔温橡胶层(22)的隔温液室(20);将吸收层(24)、约束层(25)依次放在隔温液室(20)上;用紧固螺栓(23)将压边圈(26)与外模具(15)连接;低温液氮泵控制器(7)控制低温液氮泵(5)和单向阀(9)配合加载液氮(21);液氮(21)加满后经10min深冷处理,待工件(18)均匀冷却到-190℃~-140℃后,给低温液氮泵控制器(7)信号,控制低温液氮泵(5)和截止阀(4)关闭,停止加载;
S3:强脉冲电流处理:计算机(10)控制脉冲电源控制器(6)开启脉冲电源(3),通过左电极夹(17)和右电极夹(19)给工件(18)通电流大小为3500A~7500A,电压为20V~180V的强脉冲电流;
S4:工件激光冲击成形:脉冲激光器(14)开启,发出的激光经过反射镜(29)、聚焦透镜(28)、约束层(25)后辐射吸收层(24);吸收层(24)吸收激光能量气化产生等离子体,等离子体爆炸推动隔温橡胶层(22)向下运动,压缩隔温液室(20)中液氮(21)产生冲击波压力,与内部凹模(16)配合,在工件(18)上成形出所需的形貌,深冷保温5min;
S5:成形装置拆卸和工件取出:低温液氮泵控制器(7)控制低温液氮泵(5)将液氮(21)排出;拧开紧固螺栓(23),依次取下压边圈(26)、约束层(25)、吸收层(24)、隔温液室(20)、隔温橡胶层(22)、工件(18)、左电极夹(17)和右电极夹(19);然后从S2开始进入下一个循环。
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