DE102008022719A1 - Plasma burner for plasma applications e.g. powder coatings and welding and cutting, comprises toroidal cathode, plasma nozzle with connection to mounting plate comprising cooler, gas intake ports, and electrode acting as toroidal anode - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Plasmabrenner zur Materialbearbeitung wie Schweißen, Löten, Schneiden, Oberflächenreinigung oder Spritz-Beschichtung umfassend eine als Kathode wirkende erste Elektrode, eine als Anode wirkende zweite Elektrode, Haltekörper für beide Elektroden sowie Anschlüsse und Öffnungen zur Zuführung von Prozessgasen, Prozessmedien oder Kühlmedien.The Invention relates to plasma torches for material processing such as welding, soldering, cutting, surface cleaning or spray coating comprising a first acting as a cathode Electrode, acting as an anode second electrode, holding body for both Electrodes and connections and openings to the feeder of process gases, process media or cooling media.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben solcher Plasmabrenner.The The invention further relates to a method of operating such plasma torches.
Stand der TechnikState of the art
Plasmabrenner nach dem Stand der Technik besitzen eine Kathode zur Elektronenemission mit Haltekörper eine düsenförmige Anode, die aus einem Grundkörper aus einem gut wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise Kupfer, besteht, in den die eigentliche Anode aus hochtemperaturfestem Material, vorzugsweise Wolfram oder eine Wolfram-Verbindung, eingesetzt ist. Der Grundkörper steht in gutem Wärmekontakt mit einer aktiven Kühlung, im allgemeinen Wasserkühlung oder ist mit Kühllamellen zur Luftkühlung versehen. Durch die intensive Kühlung ist der anodische Plasmaansatz des Plasmabogens in einer sehr kleinen Fläche auf die Anodenfläche konzentriert. Dieses führt zu einer hohen lokalen Temperatur im Plasmaspot und einer geringeren mittleren Temperatur der restlichen Anode. Im Plasmaspot wird durch die hohe Stromdichte und die hohe Temperatur die Anodenoberfläche stark belastet. Sie kann aufschmelzen und lokal verdampfen. Im Extremfall schmilzt die Anode an dieser Stelle bis zur Wasserkühlung durch. Im allgemeinen bildet sich eine Verformung der Oberfläche aus.plasma torch The prior art has a cathode for electron emission with holding body a nozzle-shaped anode, from a body made of a good thermally conductive material, preferably copper, in which the actual anode is made of high temperature resistant Material, preferably tungsten or a tungsten compound used is. The main body is in good thermal contact with active cooling, in general, water cooling or is with cooling fins for air cooling Mistake. Due to the intensive cooling is the anodic plasma approach of the plasma arc in a very small area on the anode surface concentrated. This leads to a high local temperature in the plasma spot and a lower one mean temperature of the remaining anode. In the plasma spot is going through the high current density and the high temperature make the anode surface strong loaded. It can melt and evaporate locally. In extreme cases melts the anode at this point until the water cooling through. In general Forms a deformation of the surface.
Da die gesamte Leistung für den anodischen Ansatz als Wärme in der Ansatzfläche umgesetzt wird, ist die Temperatur im konzentrierten Plasmaansatz, verglichen mit der mittleren Temperatur der Anode, wesentlich höher.There the total power for the anodic approach as heat in the approach area is implemented, the temperature is in the concentrated plasma approach, compared to the mean temperature of the anode, much higher.
Der anodische Fußpunkt herkömmlicher Brenner des konzentrierten Plasmaansatzes kann sich konstruktionsbedingt durch gasdynamische und eigenmagnetische Kräfte azimuthal oder axial an der Anodeninnenwand bewegen.Of the anodic base conventional burner of the concentrated plasma approach may be due to the design by gas-dynamic and eigenmagnetic forces azimuthally or axially move the anode inner wall.
Azimuthale Fußpunktänderungen führen aber zu einer sich ändernden Symmetrie des Plasmastrahls und zu einem negativen Arbeitergebnis.azimuthal Fußpunktänderungen but lead to a changing one Symmetry of the plasma jet and a negative result.
Longitudinale Verschiebungen des Bogenansatzes an der Anode ändern die Bogenlänge des Plasmas und mit ihr den Spannungsbedarf des Bogens bei konstant eingeprägtem Strom. Es kann ein sogenannter Restriking Effekt auftreten, bei dem mit zunehmender Bogenlänge die Spannung am Bogen so stark zunimmt, daß der Bogen zwischen der Kathode und dem kathodennahen Teil der Anode neu gezündet wird.longitudinal Displacements of the arch at the anode change the arc length of the plasma and with it the voltage requirement of the arc with constantly impressed current. There may be a so-called Restriking effect, in which with increasing arc length the tension on the arc increases so much that the arc between the cathode and the cathode-near part of the anode is re-ignited.
Beide Fluktuationen führen zu Schallemissionen und zu Schwankungen der elektrischen Leistung und damit zu negativen Schwankungen im Arbeitsprozess und der Prozessqualität.Both Fluctuations lead to noise emissions and fluctuations in electrical power and thus to negative fluctuations in the work process and process quality.
Eine andere Lösung nach dem Stand der Technik teilt die Anode, zum Beispiel, in drei Teilanoden auf, die symmetrisch angeordnet sind. Die Fluktuationen an den Teilanoden heben sich dadurch zum Teil auf. Die Anoden werden aber weiterhin punktuell stark belastet.A another solution The prior art divides the anode, for example, into three Partial anodes, which are arranged symmetrically. The fluctuations on the part anodes cancel in part. The anodes will be but still heavily polluted.
Aufgabetask
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Anode für Plasmaanwendungen so zu verbessern, daß zum einen die Anodenerosion verringert wird, so daß eine größere Standzeit und Stabilität erreicht wird, zum anderen störende Fluktuationen der Bogenansatzposition entfallen.Of the The invention is therefore based on the object, the anode for plasma applications to improve so that the the anode erosion is reduced, so that a longer life and stability achieved becomes, on the other disturbing Fluctuations of the bow attachment position omitted.
Lösungsolution
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man von der bisherigen intensiven Kühlung der dem Plasma zugewandten Anodenfläche durch Wärmeleitung absieht. Abhängig von den Bedingungen für Wärmezufuhr und Kühlung wird die Anode an der, dem Plasma zugewandten Fläche so ausgebildet, daß sich ein großer Flächenbereich auf gleichmäßiger hoher Temperatur befindet und sich ein diffuser Plasamansatz einstellt. Zusätzlich zur Kühlung über Wärmeleitung wird die Anode, im Unterschied zu bisherigen Anoden, wesentlich mehr durch Strahlung gekühlt.These Task is inventively characterized solved, that he from the previous intense cooling the plasma-facing anode surface is ignored by heat conduction. Depending on the conditions for heat and cooling the anode is formed on the plasma-facing surface so that a greater area on even higher Temperature is and sets a diffuse plasma. additionally for cooling via heat conduction the anode, in contrast to previous anodes, essential more cooled by radiation.
Beim Zünden des Plasmas stellt sich zunächst bei geringem Strom ein konzentrierter Plasmaansatz ein. Mit dem eingestellten Betriebsstrom wird, abhängig von den Kühl- und Geometriebedingungen, eine gewisse mittlere Temperatur der Anode erreicht. Läßt man durch reduzierte Kühlung eine höhere mittlere Temperatur zu, so stellt sich im Temperaturfenster von etwa 1000°C bis 2000°C bei geeigneter Geometrie und Kühlung der gewünschte diffuse Plasmaansatz ein. Die mittlere Temperatur der Anode liegt dann höher als bei bisherigen Ausführungen, die lokale Temperatur im Plasmaansatz jedoch niedriger.At the Ignite of the plasma arises first at low power a concentrated plasma approach. With the adjusted operating current, depending on the cooling and Geometry conditions, reached a certain average temperature of the anode. Let it through reduced cooling a higher one mean temperature increases, so in the temperature window of about 1000 ° C up to 2000 ° C with suitable geometry and cooling the desired one diffuse plasma approach. The mean temperature of the anode is then higher as in previous versions, the local temperature in the plasma approach, however, lower.
Die Temperatur für gewünschten diffusen Ansatz ist neben der Anodengeometrie, den Kühlbedingungen für die Anode und dem Gasstrom auch vom Anodenmaterial, den Dotierungen und den Diffusionsvorgängen im Material abhängig.The temperature for the desired diffuse approach is, in addition to the anode geometry, the cooling conditions for the anode and the gas stream, also the anode material, the dopants and the diffus depending on the material.
Über Strahlung, Wärmeleitung, Gasströmung und Austrittsarbeit des Anodenmaterials wird die Wärme der Anode abgeführt. Bei bekanntem Strom läßt sich über die Geometrie, abhängig von den Materialdaten, die gewünschte Temperatur und Temperaturverteilung abschätzen und näherungsweise einstellen.About radiation, Heat conduction, gas flow and work function of the anode material is the heat of Anode removed. With a known current can be over the Geometry, dependent from the material data, the desired Estimate temperature and temperature distribution and set approximately.
Die Anode ist erfindungsgemäß so ausgeführt, daß sie zwischen der Plasamansatzfläche auf der Anode und ihrer Befestigung einen hohen thermischen Widerstand aufweist und gleichzeitig eine große Ansatzfläche auf der Anode für das Plasma erlaubt.The Anode is inventively designed so that they are between the plasma set surface on the anode and its attachment a high thermal resistance and at the same time a large approach surface on the anode for the plasma allowed.
Die Anode weist dabei für den diffusen Plasmaansatz eine erkennbar größere Plasmaansatzfläche auf als im gut gekühlten Betrieb, der zu einem punktförmigen Ansatz des Plasmas führt. Besonders vorteilhaft ist es für die Ausbildung eines diffusen Plasmaansatzes, wenn ein großer Anodenoberflächenbereich eine gleichmäßig hohe Temperatur aufweist.The Anode points for the diffuse plasma approach on a recognizable larger plasma projection surface as in the well-cooled Operation that becomes a punctiform Approach of the plasma leads. It is particularly advantageous for the formation of a diffused plasma approach when a large anode surface area a consistently high Temperature has.
Günstig ist es, wenn auch ein Teil des Volumens unter dem Oberflächenbereich eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur aufweist. Durch die im wesentlichen gleichmäßige Temperatur werden ungünstige Beeinflussungen und Änderungen der Materialzusammensetzung, z. B. durch Diffusion, verhindert oder zumindest verzögert.Cheap is it, albeit a part of the volume below the surface area a substantially uniform temperature having. Due to the substantially uniform temperature are unfavorable influences and changes the material composition, for. B. by diffusion prevented or at least delayed.
Um die Ausbildung eines diffusen Plasmaansatzes bei möglichst allen Betriebszuständen sicherzustellen, ist der Oberflächenbereich vorzugsweise stufen- und kantenfrei – oder allgemeiner – ohne Unstetigkeiten auszubilden. Eine derartige glatte Ausführung unterdrückt die Tendenz der Gasentladung im Spot-Mode zu verharren.Around the formation of a diffuse plasma approach as possible all operating states ensure is the surface area preferably gradual and edge-free - or more generally - without discontinuities train. Such a smooth execution suppresses the Tendency of the gas discharge to stay in spot mode.
Die Oberfläche muß nicht unbedingt eine ebene Zylinderfläche sein, sondern kann konvex, konkav oder allgemein stetig gekrümmt sein.The surface does not have to necessarily a flat cylindrical surface but may be convex, concave or generally continuously curved.
Vorzugsweise hat der Oberflächenbereich, an dem die diffuse Gasentladung ansetzt, in Relation zu der Querschnittsfläche, die die Anode mit der Kühlung verbindet eine nennenswerte große Ausdehnung. Mindestens ist der Oberflächenbereich gleich der kleinsten Querschnittsfläche der Anode.Preferably has the surface area, on the diffuse gas discharge begins, in relation to the cross-sectional area, the the anode with the cooling connects a significant big Expansion. At least the surface area is equal to the smallest Cross sectional area the anode.
Vorteilhaft für Anwendungen des Plasmabrenners ist es, daß der diffuse Plasmaansatz an der Anode zeitlich stabil erfolgt.Advantageous for applications the plasma burner is that the diffuse plasma approach to the anode takes place stable over time.
Da durch die Anode Strom fließen muß, ist über den elektrischen Anschluß und die Befestigung zwangsweise eine Wärmeleitung gegeben. Die Anode wird so ausgebildet, daß die Wärmeleitung zur Kühlung der Anode über Befestigung und Anschluß stark verringert wird und der Querschnitt zum Stromtransport und zur mechanischen Stabilität ausreichend ist. Der Anteil der Kühlung für die Anode durch Strahlung ist dabei größer als bei Anoden von Plasmabrennern nach dem Stand der Technik. Im wesentlichen gestaltet man die Anode so daß, der Wärmewiderstand zwischen der Plasamansatzfläche und Kühlung etwa 10°C pro Watt beträgt.There flow through the anode current must, is about that electrical connection and the attachment forcibly given a heat conduction. The anode is designed so that the heat conduction for cooling the anode over Attachment and connection strong is reduced and the cross section to the current transport and mechanical stability is sufficient. The proportion of cooling for the anode by radiation is larger than in anodes of plasma torches according to the prior art. Essentially you design the anode so that, the thermal resistance between the plasma surface and cooling about 10 ° C per watt.
Um die Anode mechanisch zusätzlich zur elektrischen Verbindung zu stabilisieren, kann man die Anode mit thermischen Isolatoren zusätzlich befestigen. Dies kann beispielsweise durch eine hochwarmefeste Keramik erfolgen.Around the anode mechanically additional To stabilize the electrical connection, you can use the anode in addition with thermal insulators Fasten. This can be done, for example, by a high-temperature resistant ceramic respectively.
Ebenso kann der thermische Widerstand und die elektrische Verbindung zwischen Anodenoberfläche und Kühlung durch einen geeigneten Metallschaum hergestellt werden. Durch Porengröße und Verteilung der Poren im Schaum wird der gewünschte Wärmewiderstand eingestellt.As well can the thermal resistance and the electrical connection between anode surface and cooling be made by a suitable metal foam. By pore size and distribution the pores in the foam will be the desired one thermal resistance set.
Da die Anode zusätzlich durch das einströmende Gas gekühlt wird, wählt man Querschnitt und Position der mechanischen Anbindung der Anode an die Kühlung, so daß sich unter gewünschten Betriebsparametern eine möglichst konstante Temperatur längs der Anodenoberfläche einstellt. Dies läßt sich mit Hilfe von Finiten-Element-Rechnungen simulieren und bestimmen.There the anode in addition through the inflowing Gas cooled becomes, chooses cross section and position of the mechanical connection of the anode to the cooling, so that under desired Operating parameters one possible constant temperature along the anode surface established. This can be with Help of finite element calculations simulate and determine.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn das Anodenmaterial aus einem hochschmelzenden Metall, z. B. Wolfram besteht, das zusätzlich mit einem Material dotiert ist, das zu einer Verringerung der Austrittsarbeit und damit zu einer Verringerung der Anodenerwärmung führt. Als Dotierungmaterialien können die unterschiedlichsten Materialien in Frage kommen. Diese Materialien können zum Beispiel Oxide der seltenen Erden sein.It has proved to be particularly favorable proven when the anode material is made of a refractory metal, z. B. tungsten, in addition to a material doped, which leads to a reduction of the work function and thus leads to a reduction of the anode heating. As doping materials can the most diverse materials come into question. These materials can for example, oxides of rare earths.
Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn das Elektrodenmaterial mit Lanthan zwischen 0.1 Gew% und 5 Gew% dotiert ist.When It has proven particularly suitable when the electrode material doped with lanthanum between 0.1% by weight and 5% by weight.
Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Arbeitstemperatur der Anode niedriger als ihre Schmelztemperatur ist. Verformungen, Abdampfen und Absputtern werden dadurch verringert oder ganz verhindert.Especially is appropriate when the working temperature of the anode is lower than its melting temperature is. Deformation, evaporation and sputtering are thereby reduced or completely prevented.
Ebenfalls von Vorteil ist neben einer Dotierung zum Herabsetzen der Austrittsarbeit eine zusätzliche Dotierung zu Stabilisierung des Kristallgefüges.Also is advantageous in addition to a doping to reduce the work function an additional Doping to stabilize the crystal structure.
Die Anode kann auch aus zwei Teilen zusammengesetzt sein, wobei der dem Plasma zugewandte Teil aus einem hochtemperaturfesten Material, z. B. Wolfram und der andere Teil zu Halten, Befestigen oder zum Einstellen des thermischen Widerstandes aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material besteht.The anode may also be composed of two parts, wherein the plasma supplied turned part of a high temperature resistant material, eg. B. tungsten and the other part to hold, fasten or adjust the thermal resistance of another electrically conductive material.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn der diffuse Plasmaansatz an der Anode gleichzeitig mit einem diffusen Ansatz an der Kathode kombiniert wird.As well it is advantageous if the diffused plasma approach at the anode simultaneously combined with a diffused approach at the cathode.
Im Unterschied zu Lösungen mit mehreren Anoden erfordert eine ringförmige oder torusförmige Anode mit gleichmäßigem diffusen Plasmaansatz nur ein Netzteil und stellt die gewünschte Rotationssymmetrie für das Plasma automatisch und vollständig ein.in the Difference to solutions with multiple anodes requires an annular or toroidal anode with uniform diffuse Plasma approach only one power supply and provides the desired rotational symmetry for the plasma automatically and completely.
Ausführungexecution
In allen Ausführungen wird der Wärmefluß senkrecht zur Anodenoberfläche in Richtung Kühlung gegenüber Lösungen nach dem Stand der Technik reduziert. Gleichzeitig soll die Ausführung eine gute Wärmeleitung parallel zur Anodenoberfläche aufweisen.In all versions the heat flow becomes vertical to the anode surface in the direction of cooling across from solutions reduced according to the prior art. At the same time the execution is a good one heat conduction parallel to the anode surface.
Die Verbindung der Anode mit dem elektrischen Anschluß und der Kühlung wird so ausgebildet, daß sie den gewünschten thermischen Widerstand aufweist. Dies kann zum Beispiel für eine zylindrische Anode ein Ring mit geeignetem Querschnitt sein.The Connection of the anode to the electrical connection and the cooling is designed to be the wished having thermal resistance. This can be for a cylindrical example Anode be a ring with a suitable cross section.
Die Anodenoberfläche besteht vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten, leitenden Material, vorzugsweise Wolfram, das zusätzlich noch dotiert sein kann. Die Wärmeverteilung unter der Anodenoberfläche wird durch eine innige Verbindung mit einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise Kupfer, erreicht.The anode surface is preferably made of a high temperature resistant conductive material, preferably Tungsten, in addition can still be endowed. The heat distribution under the anode surface is made by an intimate connection with a good heat-conducting Material, preferably copper, achieved.
Hinsichtlich der Form der Anode wurden im Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So sind prinzipiell beliebige, insbesondere axial symmetrische Formen denkbar. Vorteilhaft sind dabei zylindersymmetrische Torusformen. Eine besonders, aufgrund ihrer Einfachheit, günstige Anodenform sieht vor, daß die Anode als zylindrisches Rohr ausgebildet ist.Regarding The shape of the anode were in connection with the previous embodiments no closer Information provided. Thus, in principle, any, in particular axial symmetrical shapes conceivable. Advantageously, cylindrically symmetric Torusformen. A particularly, because of their simplicity, cheap anode shape provides that the Anode is designed as a cylindrical tube.
Um die Wärmeabfuhr durch das vorbeistreichende Gas zu kompensieren, wird die Anode vorzugsweise an der, der Kathode abgewandten Seite befestigt. Um eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten, kann die Anode zusätzlich mit einer thermischen Isolierung befestigt sein. Das Material für die thermische Isolierung kann z. B. eine hochtemperaturfeste Keramik oder Quarz sein.Around the heat dissipation to compensate for the passing gas, the anode becomes preferably attached to the, the cathode side facing away. Around To ensure sufficient mechanical stability, the anode can additionally with a be attached to thermal insulation. The material for the thermal Isolation can z. As a high temperature resistant ceramic or quartz be.
Die Befestigung der Anode kann zur Einstellung einer gleichmäßigen Oberflächentemperatur der Anode auch strukturiert und verteilt erfolgen. So können mehrere elektrisch- und wärmeleitende Verbindungen alternierend mit Isolatoren verwendet werden. Eine andere Möglichkeit ist die Anbindung der Anode an Kühlung und elektrischem Anschluß über einen Metallschaum. Die Ausgestaltung des Metallschaums hinsichtlich Porosität, Porenverteilung und Geometrie erlaubt die Anpassung des thermischen Widerstandes und des Widerstandsverlaufes zwischen Anode und Kühlung.The Attachment of the anode can be used to set a uniform surface temperature The anode also structured and distributed done. So can several electrically and thermally conductive Connections can be used alternately with insulators. A different possibility is the connection of the anode to cooling and electrical connection via a Metal foam. The design of the metal foam in terms of porosity, pore distribution and geometry allows the adaptation of the thermal resistance and the resistance curve between anode and cooling.
Von Vorteil ist es, wenn die Anode für den Gasdurchsatz strömungstechnisch, in der Form optimiert wird, z. B. als Laval-Düse.From Advantage is when the anode for the gas flow rate, is optimized in the form, for. B. as a Laval nozzle.
Wird die Anode als zylinderähnlicher Körper ausgeführt, läßt sich das Prozessgas, das Pulver zum Beschichten, ein Laserstrahl oder Kombinationen davon rotationssymmetrisch durch die Anode einbringen. Der Bearbeitungsprozeß wird damit weitgehend unabhängig von der relativen Bewegungsrichtung zwischen dem Plasmabearbeitungskopf und dem Material. Die Ansatzfläche des anodischen Plasmas kann dann vollumfänglich oder in Winkelbereichen bezüglich der Symmetrieachse der Anode auf einer der Kathoden zugewandten Fläche erfolgen.Becomes the anode as a cylinder-like Body executed, can be the process gas, the powder for coating, a laser beam or Insert combinations of them rotationally symmetric through the anode. The editing process becomes thus largely independent from the relative direction of movement between the plasma processing head and the material. The approach surface of the anodic plasma can then be full or in angular ranges in terms of the axis of symmetry of the anode facing on one of the cathodes area respectively.
Für alle Ausführungsbeispiele ist es von Vorteil, wenn der diffuse Plasmaansatz an der Anode mit einem diffusen Plasmaansatz an der Kathode kombiniert wird.For all embodiments it is advantageous if the diffuse plasma approach at the anode with a diffused plasma approach is combined at the cathode.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich zur Anode auch die Kathode eine axial symmetrische Form aufweist.Especially It is advantageous if in addition to Anode also the cathode has an axially symmetrical shape.
Zeichnungendrawings
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibungen sowie der zeichnerischen Darstellungen.Further Features and advantages of the solution according to the invention are the subject of the following Descriptions and the drawings.
In den Zeichnungen zeigen:In show the drawings:
Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings
In
Wie
in
Eine
andere beispielhafte Ausführung
einer Anode für
diffusen Ansatz ist ein Torus
Eine
Torus-Anode
Claims (26)
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Applications Claiming Priority (3)
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DE102007058733 | 2007-12-06 | ||
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2008
- 2008-04-26 DE DE102008022719A patent/DE102008022719A1/en not_active Withdrawn
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