DE2265065A1 - Verfahren zum lichtbogenschweissen mit abschmelzender elektrode, insbesondere zum schutzgasschweissen unter co tief 2 - Google Patents

Description

MESSER GRIESHEIM GMBH MG 688a

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Ii:^ I.;i2 ni'^lxiS 17.10.1975

Kennwort: Pulspneuraarc II
Erfinder: Dr. Teske, Hannappel

Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode, insbesondere zum Schutzgasschweißen unter CO₂

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode, insbesondere zum Schutzgasschweißen unter CO₂· Beim Schweißen mit abschmelzender Elektrode ist der Übergang des Schweißmetalls von der Elektrode zum Werkstück abhängig von dem jeweils verwendeten Schweißverfahren, wie beispielsweise MIG- und MAG-Lichtbogenschweißen, zu denen auch das Tauchlichtbogenschweißen zählt.

Beim Tauchlichtbogenschweißen (DIP-Transfer) mit abschmelzender Elektrode unter Schutzgas (insbesondere Kohlendioxid) wird, wie bekannt (USA-Patentschrift 2 886 696) das Elektrodenende periodisch in das Schmelzbad eingetaucht. Dadurch entstehen periodische Kurzschlüsse, so daß sich zwangsläufig ein Pulsieren des Schweißstromes ausbildet. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Lichtbogen periodisch ausgelöscht und der Metallübergang findet ausschließlich während der Berührung von Elektrode und Werkstück statt. Dabei entsteht ein kleines, einfach zu führendes Schweißbad mit guter Spaltüberbrückbarkeit. Wird bei diesem Verfahren jedoch, beispielsweise bei Blechdicken über 2 bis 3 mm, die Leistung durch

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Erhöhen der Stromstärke und damit der zugeführten Drahtmenge vergrößert, wodurch gleichzeitig die Kurzschlußfrequenz, d.h. die Anzahl der Kurzschlüsse pro Sekunde vergrößert wird, so verschlechtert sich das Nahtaussehen. Außerdem wird durch die Erhöhung der Stromstärke und bei Verwendung von Kohlendioxid als Schutzgas der Lichtbogen unstabil und das Schweißmaterial wird zum Teil verspritzt.

Wird dagegen als Schutzgas ein Inertgas oder ein Mischgas, welches zum überwiegenden Teil aus einem inerten Gas wie Argon oder Helium besteht, verwendet, so erreicht man bei erhöhten Strom- und Spannungswerten den sog. Sprühlichbogen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß viele Materialtröpfchen (bis zu etwa 500/sec) sprühregenartig kurzschlußfrei von der Drahtelektrode auf das Werkstück übergehen. Der Lichtbogen mit Sprühübergang ist stabil und in Verbindung mit der geringen Größe der Tropfen wird der Vorteil · erreicht, daß die Tropfen leicht auf eine horizontale Kehlnaht oder auf eine Uberkopfnaht gerichtet v/erden können. Die Konzentration der Energie in dem mittleren Bereich des Bogens und die kinetische Energie der in das Schmelzbad einschlagenden Metalltropfen bewirken einen tiefen Einbrand, was jedoch für eine Zwangslagenschweißung häufig unerwünscht ist, da das durch axiales Sprühen bei hohen Stromdichten in großer Menge gebildete überhitzte Schweißmetall zu flüssig ist; folglich ist die Führung des Schweißbades schwierig,

Wegen des relativ tiefen Einbrandes ist die Anwendung von Lichtbogen mit Sprühübergang auf die Schweißung dicker Querschnitte beschränkt. Bei dünnen Teilen führt der tiefe Einbrand unter Umständen zu Löchern, so daß die Schweißung derartiger Teile unter Ausnutzung des axialen Sprühüberganges schwierig, wenn nicht unmöglich ist. Durch das Impuls-Lichtbogenschweißen ist es möglich geworden, die Vorteile

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des Sprühliehtbogens auch bei dünnen Blechen auszunutzen.

Beim Impuls-Lichtbogenschweißen (Deutsche Patentschrift 1 149 472) wird die für einen kurzschlußfreien Tropfenübergang erforderliche hohe Stromstärke der Elektrode nicht kontinuierlich sondern nur in kurzen Intervallen (Stromimpuls) zugeführt.

Auf die Probleme des Werkstoffüberganges beim Kurzlichtbogenschweißen, MIG-VMAG-Schweißen, sowie beim Impulslichtbogenschweißen wird auch in den Artikeln

-"Der Werkstoff übergang beim MIG- und MAG-Schweißen" von Dr.-Ing. W Ruckdeschel, Lohhof Sonderdruck aus DVS-Berichte, Band 18 'Schutzgasschweißen¹ Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf

-"Impuls-Lichtbogenschweißen" von Karl Schöbel, Frankfurt Sonderdruck 13/68 aus Elektrotechnische Zeitschrift ETZ-B Band 2OC1968) Heft 5, VDE-Verlag GmbH, Berlin

-"Beitrag zur Kenntnis der Vorgänge beim Kurζlichtbogenschweißen von S^hI" Dr.-Ing. Folkhard und Dipl.Ing. H. Keller

Sonderdruck aus Fachbuchreihe 'Schweißtechnik¹, Band 40 Deutscher Verlag für Schweißtechnik (DVS)GmbH, Düsseldorf

eingegangen.

Bei den bekannten Schweißverfahren ist jedoch eine Veränderung des Schweißgutüberganges, ob kontrolliert wie beim Impulslichtbogenschweißen oder unkontrolliert wie beim Sprühlichtbogenschweißen im wesentlichen nur durch Maßnahmen .bezüglich der elektrischen Energiezufuhr erreichbar, wodurch jedoch der Aufbau der Strömquellen durch die dazu erforder-

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lichen elektrischen Bauteile wie Drosseln, Impulsstromquelle und dergleichen u.U. erheblich kompliziert und teuer wird.

Darüberhinaus ist es bisher noch nicht möglich, den Schweißgutübergang unter Verwendung von CO2 als Schutzgas derart kontrolliert zu steuern, wie es beispielsweise bei der Verwendung von einem Inertgas (Argon) oder einem überwiegenden Teil aus Inertgas bestehenden Mischgas durch das Impulslichtbogenschweißen erreichbar ist. Eine mögliche Erklärung hierfür wird darin gesehen, daß die Ansatzflächen des CO₂"Lichtbogens kleiner sind als die des Argon-Lichtbogens. Hierdurch wird die Energiekonzentration an diesen Stellen größer. Unter Argon wird der Tropfen vom Lichtbogen gewissermaßen eingehüllt und dadurch gleichmäßiger erhitzt? das Schweißbad wird gleichzeitig im Gegegnsatz zum Kohlendioxid in einer großen Fläche erwärmt. Durch die hohe Energiekonzentration beim CO₂ kommt es zu einem Verdampfen des Metalls an der Tropfenunterseite. Der dabei entstehende Dampfdruck wirkt der Tropfenablösung entgegen und kann den Tropfen seitlich nach oben drücken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schweißverfahren zu schaffen, bei dem, insbesondere bei der Verwendung von C0~ als Schutzgas, ein kontrollierter, vorbestimmter Tropfenübergang erreichbar ist, welcher von Schwerkrafteinflüssen weitgehend unabhängig ist.

Die Erfindung besteht darin, daß das ahschmelzende Ende der Elektrode von einem mit einer vorbestimmten Frequenz pulsierenden Gasstrom beaufschlagt wird.

Durch den pulsierenden Gasstrom wird es vorteilhaft möglich, den Schweißgutübergang zu steuern und zwar ohne

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Veränderung der eingestellten Strom- und Spannungswerte. So wird beim Schweißen mit CO₂ als Schutzgas und bei Strom- und Spannungswerten/ bei rtonen üblicherweise ein Kurzschluß stattfindet (Werte liegen also unterhalb des kritischen Bereiches) durch die Gasimpulne bewirkt, daß der sich am Elektrodenende ausbildende Tropfen ablöst und kurzschlußfrei von der Elektrode zum Werkstück geschleudert wird. Ein Hochwandern des Tropfens an d^r Elektrode tritt nicht mehr auf, wie Filmaufnahmen gezeigt haben. Durch den pulsierenden Gasstrom wird also erreicht, 'laß auch bei CO₃ als Schutzgas ein gesteuerter, durch dio Frequenz des pulsierenden Gasstromes kontrollierter und vorbestimmter Tropfenübergang möglich wird.

Ferner wird es durch den pulsierenden Gasstrom vorteilhaft möglich, einen Schweißgutilbnrgang, bei dem aufgrund der eingestellten Strom- und Spannungswerte bereits pro Zeiteinheit eine gewisse Anzahl Tropfen von der Elektrode abgelöst werden, zu verändern. Kn hat sich beispielsweise gezeigt, daß bei den Parametern: Drahtdurchmesser 1 mm, Spannung 38 V, Strom 220 Λ, sich pro Sekunde 13 Tropfen ablösten.

Durch einen pulsierenden C.ίοstrom mit einer Impulsfrequenz von 21 Hz, bei einem Verhältnis von Impulsdauer zu Impulspause von 1:1 und einem überdruck des Gases von etwa 1,5 bar wurde der Tropfenübergang von 13/sec auf 21/see erhöht. Die Tropfenübergangsfrequenz entspricht etwa der Gasimpulsfrequenz.

Durch die Erhöhung der Tropfenfrequenz und der damit verbundenen Verkleinerung der Tropfengröße ist es nunmehr vorteilhaft möglich, eine Schweiflung auszuführen, bei der der Einbrand größer ist als bei der Schweißung ohne Gasstrom. Wir verweisen auch auf das in Fig. 4 veranschaulichte Diagramm.

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Darüberhinaus wird, insbesondere beim Überkopf schv/ei ßen, durch den erfindungsgemäß vorgesehenen pulsierenden Gasstrom eine Stützwirkung auf das Schweißbad ausgeübt.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung haben die Gasimpulse eine Frequenz von 1 bis 200 Hz., vorzugsweise eine Frequenz zwischen 1 und 50 Hz.

In vorteilhafter Weiterbildung wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der pulsierende Gasstrom ringförmig das abschmelzende Elektrodenende beaufschlagt. Unter ringförmig wird dabei verstanden, daß der pulsierende Gasstrom über eine, die Elektrode umgebende Düse zugeführt wird, die als Austrittsöffnung einen Ringspalt oder eine Vielzahl von Γ ffnungen aufv/eist, welche um die Elektrode herum vorgesehen sind.

Dadurch wird vorteilhaft erreicht, daß auf das aufschmelzende Elektrodenende gleichmäßig von allen Seiten der Gasimpuls einwirkt. Ferner wird dadurch vorteilhaft erreicht, daß durch die Gasimpulse der Lichtbogen an seinem Außenmantel abgekühlt wird, so daß eine Kontraktion des Lichtbogens eintritt. Hierdurch wird vorteilhaft eine höhere Energieumsetzung im Lichtbogen möglich, was wiederum eine Vergrößerung der Abschmelzleistung zur Folge hat.

Ferner ist gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung der pulsierende Gasstrom von einem kontinuierlich strömenden Gasmantel umgeben. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Beeinflussung des Lichtbogens, der Elektrode, des Schweißbades sowie des pulsierenden Gasstromes durch die ümgebungsluft verhindert.

Der pulsierende Gasstrom besteht gemäß der Erfindung bevorzugt aus Kohlendioxid. Es ist jedoch auch möglich, anstelle von Kohlendioxid ein anderes Schutzgas wie

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beispielsweise He, Ar, N_2/Ne oder Gemische hiervon zu verwenden. Auch der den pulsierenden Gasstrom umgebende Gasmantel kann aus einem oder mehreren der oben genannten Gasarten bestehen.

Gemäß der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, daß der pulsierende Gasstrom und/oder der Gasmantel einen gewissen Prozentsatz (etwa zwischen 1 und 15%) an Sauerstoff aufweist. Durch den Sauerstoff im Gas wird die Oberflächenspannung des sich bildenden Tropfens herabgesetzt und dadurch das Ablösen des Tropfens erleichtert. Es ist selbstverständlich auch möglich, in der Elektrode in an sich bekannter Weise Legierungselemente, z.B. seltene Erden vorzusehen, durch welche der Abschmelzcharakter (Ablösen des Tropfens und dergleichen) verbessert wird.

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In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert:

In den Zeichnungen veranschaulicht:

Fig. 1 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgeraäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 schematisch dargestellten Brenners;

Fig. 3 das Gasimpulsgerät gemäß Fig. 1 in vergrößerte:: Darstellung;

Fig. 4 ein Diagramm über die Tropfenfrequenz in Abhängigkeit von Gasimpulsfrequenz und Gasvolumen.

In Fig. 1 ist die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit 10 bezeichnet. Die Einrichtung 10 weist eine schematisch dargestellte Brennervorrichtung 11, eine Stromquelle 12 sowie eine Gasversorgungseinrichtung 13 auf.

Die Brennervorrichtung 11 besteht im wesentlichen aus einem Brennerkörper 14, einer abschmelzenden Elektrode 15 sowie

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einer mit der Elektrode 15 in Verbindung stehenden Drahtvorschubeinheit 16, die Antriebsrollen 17 und einen Motor 18 aufweist.

Die Stromquelle 12 besteht aus einem Transformator 19, einem dem Transformator 19 nachgeschalteten Transduktor 20, der mit einem Gleichrichter 21 in Verbindung steht, sowie einer Steuervorrichtung 22 mit einem Thyristor 23 und einem Impulsgerät 24. Die Ausgangsleitungen 25 und 26 des Gleichrichters 21 sind mit der Elektrode 15 bzw. einem Werkstück 27 verbunden. Ferner ist in der Stromquelle 12 ein Steuerkreis 28 vorgesehen, der einen Gleichrichter 29, einen Thyristor 3 0 sowie einen Impulsgenerator 31 aufweist und der zur Versorgung des Motors 18 mit demselben über Leitungen 32 verbunden ist.

Die Einrichtung 10 weist eine Gasdüse 33 auf, die mit einem, einen pulsierenden Gasstrom erzeugenden Gasimpulsgerät 34 in Verbindung steht (Leitung 65). Die Gasdüse 33 weist ferner einen Austrittskanal auf, welcher gegen das abschmelzende Ende 36 der Elektrode 15 gerichtet ist. Das Gasimpulsgerät 34 ist über eine Leitung 37 mit einer Gasversorgungseinrichtung 38 - beim Ausführungsbeispiel ein Gasflaschenbündel verbunden.

Durch den aus der Gasdüse 33 pulsierend ausströmenden Gasstrom wird der sich am Ende 36 der Elektrode 15 ausbildende Tropfen 39 abgelöst und auf das Werkstück 27 geschleudert.

In Fig. 2 ist in vergrößerter Darstellung der Brenner 40 veranschaulicht, bei dem die Gasdüse eine die Elektrode 15 umgebende Ringdüse 41 ist.

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Der Brenner 40 besteht im wesentlichen aus einem Elektrodenführungsrohr 42, welches mit der in Fig. 1 mit 25 bezeichneten Stromleitung verbindbar ist, einem das Rohr 42 umgebenden und auf demselben aufgespannten Innenteil 43, einem den Innenteil umfassenden Außenteil 44, der von einem aus zwei ineinander geschobenen Hülsen 45 und 46 gebildeten Mantel umschlossen ist. Innenteil 4 3 und Außenteil 44 sind an ihrem dem abschmelzenden Elektrodenende 36 zugewandten Teil konisch verjüngend ausgebildet. Ferner weist der Innenteil 43 an dem konischen Teil gegenüberliegenden zylindrischen Bereich ein Außengewinde 47 auf, welches mit einem Innengewinde 4 8 im Außenteil 44 in Verbindung steht. Durch Verdrehen von Innenteil 43 und Außenteil 44 entsteht ein mehr oder weniger großer Ringspalt 49, welcher über den zwischen Innen- und Außenteil 43, 4 4 vorgesehenen Ringkanal 50 und die Bohrungen 51, 52 mit der Leitung 65 (Fig. 1) für den pulsierenden Gasstrom verbunden ist. Durch diese Ausbildung wird vorteilhaft erreicht, daß der pulsierende Gasstrom gleichmäßig auf das Elektrodenende 36 einwirkt. Vorteilhaft beträgt der Winkel 53 etwa 5° bis 75°, vorzugsweise etwa 10 bis 30 . Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 hat sich ein Winkel 53 von 15° als vorteilhaft herausgestellt.

Der pulsierende Gasstrom ist von einem zweiten Gasstrom umgeben Hierzu ist beim Brenner gemäß Fig. 2 ein Ringkanal 54 vorgesehen, welcher durch entsprechende Aussparungen in der Hülse 45 und 46 gebildet wird. Der Ringkanal 54, der über Bohrungen 55 mit dem Innenraum 56 des Brenners in Verbindung steht, ist über eine Leitung 57 an die Gasversorgungseinrichtung (Fig. 1) angeschlossen.

Die Bauteile 42, 43 und 44 sowie 45 und 46 sind gegeneinander in einem gemeinsamen Brennerhalter 59 fixiert.

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In Fig. 3 ist das in Fig. 1 schematisch veranschaulichte Gasimpulsgerät 34 dargestellt, welches beim Ausführungsbeispiel einen im Zylinder 60 hin- und herbewegten Kolben 61 aufweist, der über die Stange 62 und das Exzenterrad 63 mit einem Elektromotor 64 in Verbindung steht.

Der Zylinder 60 steht einerseits mit der Gasversorgungseinrichutng 38 über die Leitung 37 (Fig. 1) und andererseits über die Ausgangs leitung 65, in welcher ein Rückschlagventil 66 angeordnet ist, mit der Gasdüse 33 bzw. 41 in Verbindung. Durch Änderung der Drehzahl des Motors 64 ist die Gasimpulsfrequenz einstellbar. Durch Änderung des Vordruckes in Leitung 37 ist die Impulsintensität einstellbar.

In Fig. 4 ist ein Diagramm veranschaulicht.

Auf der linken Ordinate 70 ist die Tropfenfrequenz in Hz, auf der rechten Ordinate 71 die Gasmenge des pulsierenden Gasstromes in l/min und auf der Abszisse 72 die Gasimpulsfrequenz in Hz aufgetragen.

Die Kurve 73 im Diagramm veranschaulicht die Tropfenfrequenz in Abhängigkeit von der Gasimpulsfrequenz; die Kurve 74 die Gasmenge abhängig von der Gasimpulsfrequenz.

Aus dem Diagramm geht hervor, daß ohne Gasimpulse (Frequenz '- O) ein kurzschlußfreier Tropfenübergang von 13 Hz vorhanden -ist. Dieser ergibt sich aufgrund folgender Parameter:

Strom	220 A
Spannung	38 V
Gas aus Leitung 57	CO2; 15
Drahtdurchmesser	1 mm
Drahtart	GRIDUCT

GRIDUCT S-V 10 Charge 5885 (Typenbezeichnung der Anmeld.)

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Drahtvorschub 10,65 m/min

Brennervorschub 100 mm/min

Wie das Diagramm zeigt, wird beim Beaufschlagen des Elektrodendrahtendes mit einem pulsierenden Gasstrom unter Einhaltung obiger Parameter und der nachfolgenden Kennwerte für den pulsierenden Gasstrom, die Tropfenfrequenz größer und zwar proportional mit der Impulsfrequenz und der Gasmenge des pulsierenden Gasstromes. Bei einer Erhöhung der Gasimpulsfrequenz von 10 Hz auf 20 Hz wurde die Tropfenfrequenz von etwa 17 Hz auf 21 Hz, also die ohne pulsierenden Gasstrom vorhandene Frequenz von 13 Hz um 4 Hz (bei Impulsfrequenz von 10 Hz)bzw. um 8 Hz (bei Impulsfrequenz von 20 Hz) vergrößert.

Die Kennwerte für den pulsierenden Gasstrom sind:

Gasart CO-

überdruck des Gases

in Leitung 37 1,5 bar

Impulsdauer td =₂y (see) f = Gasimpuls

frequenz in Hz

Impulspause tp =₂y (see)

Gasmenge 9 = V-f·6Ο·1Ο~³ (l/min)

wobei V = Hubvolumen 6,5 cm

Wie Untersuchungen weiterhin gezeigt haben, ist auch die Tropfenfrequenz durch Veränderung des Überdruckes in Leitung 37 variierbar. So wurde bei einem überdruck von 2 bar und einer Gasimpulsfrequenz von 22 Hz eine Tropfenfrequenz von 22 Hz erreicht, also vorteilhaft auch bei diesen Einstellwerten pro Gasimpuls ein Tropfen abgelöst.

Aus dem Diagramm geht auch hervor, daß der Tropfenübergang

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durch die Frequenz des pulsierenden Gasstromes kontrollierbar und steuerbar ist.

Die Erfindung ist neben dem Schutzgasschweißen unter CO₂ auch beim Lichtbogenschweißen unter einem anderen Schutzgas, beim Plasmaschweißen sowie beim Auftragsschweißen vorteilhaft anwendbar .

Ferner ist die Erfindung auch vorteilhaft anwendbar in Kombination mit dem eingangs beschriebenen Impulslichtbogenschweißen, wobei durch die Erfindung erreichbar ist, daß der Impulsstrom gegenüber den bisherigen Impulsströmen kleiner ist und dadurch der Aufbau derartiger Stromguellen vereinfacht wird. Weiterhin ist die Erfindung bei Schweißverfahren mit diskontinuierlicher Drahtzuführung anwendbar.

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Claims (1)

1. - 14 -

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   Ansprüche

   Verfahren zum Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode, insbesondere zum Schutzgasschweißen unter CO₂ ,

   dadurch gekennzeichnet, daß das abschmelzende Ende der Elektrode von einem, mit einer vorbestimmten Frequenz pulsierenden Gasstrom beaufschlagt wird.

   Verfahren nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Gasstrom eine Frequenz zwischen etwa 1 und 200 Hz, vorzugsweise etwa zwischen 1 und 50 Hz, aufweist.

   Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Gasstrom ringförmig das Elektrodenende beaufschlagt.

   Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der pulsierende Gasstrom von einem kontinuierlich strömenden Gasmantel umgeben ist.

   STPH/Be/Tr
   17.10.1975
   MG 688a

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