DE7333879U

DE7333879U - Solder bath for fluid-free soldering using ultrasound

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Publication number: DE7333879U
Application number: DE7333879U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-18
Publication date: 1975-04-03

Description

Lotbad zum flußraittelfreien Beloten mittels UltraschallSolder bath for flux-free soldering using ultrasound

Die Neuerung bezieht sich auf ein Lotbad zum flußmittelfreien Heloten, bestehend aus einem, das schmelzflüssige Lot aufnehmenden Behälter oder einer, schmelzflüssiges Lot führenden Rinne mit mehreren durch den Boden des Behälters oder.der Rinne geführten Sonotrcden.The innovation relates to a solder bath for flux-free helots, consisting of one, the molten one Solder-receiving container or a molten solder leading channel with several sonotrcden guided through the bottom of the container or channel.

Bei einem bekannten Lotbad (DT-AS 2 01? Q&2) ist durch den Boden des Lotbadbehälters eine Sonotrode geführt, die einen im Bereich einer Schwingungsknotenebene gelegenen Ringteller bzw. Bund aufweist, mittels dem sie von Dichtunjsmanschotten gehalten mit dem Boden des Lotbadbehälters verbunden ist. Durch diese konstruktive Ausbildung der Dichtungen der Sonotrode im Durchführungobereich des Bodens werden die von der Sonotrode aut; gehenden Ultraschallschwingungen gegenüber dem Boden des Behälters isoliert, so daß Interferenzen bzw. Schallöschungen in der Lotechmelze veriniädon werden. Derartige Lotbäder dienen z. B. zum flußmittelfreien Beloten von kleinen Bauteilen, die in das mit Ultraschallwellen durchsetzte Lotbad eingetaucht werden. Diese Art der Belotung ermöglicht einen,gut haftenden Lotüberzug auf die zu belotenden Bauteile ohne die Verwendung eines Flußmittels und der dadurch bedingten bekannten Nachteile (nachträgliches Abwaschen von Flußmittelresten, Beschädigung der Teile durch Flußmitteldämpfe). In einem derartigenLotbad ist es jedoch nicht möglich, lange schmale Teile, z. B. Stiftleisten und Steckerleisten, wie vorbeschrieben einwandfrei" zu beloten, denn die hierzu benötigten breitenIn a known solder bath (DT-AS 2 01? Q & 2) , a sonotrode is passed through the bottom of the solder bath container, which has a ring plate or collar located in the area of a vibration node plane, by means of which it is held by Dichtunjsmanschotten and connected to the bottom of the solder bath container. This structural design of the seals of the sonotrode in the implementation area of the floor means that the sonotrode aut; going ultrasonic vibrations isolated from the bottom of the container, so that interferences or sound quenching are veriniädon in the solder melt. Such solder baths are used for. B. for flux-free soldering of small components that are immersed in the solder bath interspersed with ultrasonic waves. This type of soldering enables a well-adhering solder coating on the components to be soldered without the use of a flux and the known disadvantages caused by it (subsequent washing off of flux residues, damage to the parts by flux vapors). In such a solder bath, however, it is not possible to make long, narrow parts, e.g. B. pin headers and power strips, as described above, to "solder" properly, because the widths required for this

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Sonotroden bedingen eine ungleichmäßige Aiiiplitudenvorteilung über deren Stirnfläche und somit auch innerhalb des über die Stirnflächen der Sonotroden stehenden oder fließenden Lotes. Eine ungleichmäßige Amplitudenverteilung hat zur Folge, daß örtlich am zu belotenden Y/erkstück der zu erzielende Xavitationseffekt nicht oder nur ungenügend eintritt und somit Fehlstellen im Lotauftrag des Werkstückes auftreten.Sonotrodes cause an uneven extension of the amplitude over their end face and thus also within the solder standing or flowing over the end faces of the sonotrodes. A non-uniform amplitude distribution has the consequence that locally on the Y / piece to be soldered the to be achieved Xavitation effect does not occur or occurs only insufficiently and thus Defects occur in the solder application of the workpiece.

Es sind Lotbäder bekannt (US-PS 3 266 136), bei denen durch den Boden einer Lotrinne mehrere Sonotroden geführt sind. Jede Sonotrode ist im Bereich ihrer Durchführungsstelle durch den Boden mit einer Dichtung umgeben. In einer Ausführungsform sind die Sonotroden mit einer ihnen gemeinsamen Schwingplatte gekoppelt, vor der die Schallwellen in das schmelzfiüssige Lot abstrahlen, Eine derartige Platte besitzt jedoch eine eigene Schwingungscharakteristik, so daß - selbst unter der Voraussetzung, daß die Sonotroden gleichphasig schwingen - eine ungleichmäßige Amplituaenverteilung innerhalb der Lotschmelze vorherrscht. Auch bedingt eine derartige Anordnung, und zwar durch die für jede Sonotrode notwendige Dichtung und der sonstigen Befestigungselemente einen größeren Abstand der einzelnen Sonotroden voneinander; auch bei Entfall einer ihnen gemeinsamen Schwingplatte entstehen daher im Bereich der Zwischenräume der Sonotroden schallarqe Zonen innerhalb der Lotschmelze.There are known solder baths (US Pat. No. 3,266,136) in which several sonotrodes are passed through the bottom of a solder trough. Each sonotrode is surrounded by a seal in the area of its passage point through the bottom. In one embodiment, the sonotrodes are coupled to an oscillating plate shared with them, in front of which the sound waves radiate into the fusible solder. However, such a plate has its own oscillation characteristics, so that - even provided that the sonotrodes oscillate in phase - an uneven amplitude distribution within the solder melt predominates. Such an arrangement also requires a greater spacing of the individual sonotrodes from one another due to the seal required for each sonotrode and the other fastening elements; Even if a common oscillating plate is omitted, there are therefore noisy zones within the solder melt in the area of the spaces between the sonotrodes.

Aus der DT-OS 1 597 015 ist eine Einrichtung zur Ausstrahlung von Ultraschallschwingungen in flüssige Medien bekannt. Diese Einrichtung besteht aus einem Badbehälter, durch dessen Boden mehrere mit jeweils einem Ultraschallkopf versehene Sonotroden geführt sind. Die Ultraschallköpfe sind im Erregerstromkreis parallel geschaltet, so daß sie gleichphasig schwingen. Aber auch hier stehen die Sonotroden weit auseinander, wobei außerdemFrom DT-OS 1 597 015 a device for emitting ultrasonic vibrations in liquid media is known. These The device consists of a bath tank, through the bottom of which several sonotrodes each provided with an ultrasonic head are led. The ultrasonic heads are connected in parallel in the excitation circuit so that they vibrate in phase. but here, too, the sonotrodes are far apart, and also

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durch die Art der Durchführung der Sonotroden durch den Boden des Badbehälters die durch die Parallelschaltung erzwungene Gleichphasigkeit der Ultraschallschwingungen innerhalb der Badflüssigkeit durch Überlagerungen gestört wird.by the way the sonotrodes are carried through the bottom of the bath tank and by the parallel connection Forced phase equilibrium of the ultrasonic vibrations within the bath liquid disturbed by superimpositions will.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lotbad au schaffen, welches auch zum Tauchverzinnen von langgestreckten Teilen geeignet ist. Insbesondere soll das Lotbad so beschaffen sein, daß innerhalb der Tauch- oder Dur chf ühr lings zone des Werkstückes, das schmelzflüssige Lot gleichmäßig mit Ultraschallwellen durchsetzt ist. Gegenseitige Löschungen durch Interferenzenj die von verschiedenen Sonotroden oder den Wandungsteilen des Behälters ausgehen, sollen vermieden werden.The object of the innovation is to create a solder bath which can also be used for dip tinning of elongated parts suitable is. In particular, the solder bath should be designed in such a way that within the immersion or through-flow zone of the Workpiece, the molten solder is evenly interspersed with ultrasonic waves. Mutual deletions through Interferences from different sonotrodes or the Wall parts of the container go out should be avoided.

Ausgehend von einem Lotbad der eingangs genannten Art, besteht die Neuerung darin, daß die Sonotroden im Bereich ihrer Schwingungsknotenebene durch einen Steg miteinander verbunden und zu einem Bauteil vereinigt sind, wobei die mit den Sonotrodejj verbundenen Schallköpfe - wie an sich bekannt - einen gemeinsamen Oszillatorkreis aufweisen. Durch diese konstruktive Ausbildung und Anordnung der Sonotroden erhält man eine gleichmäßige Amplitudenverteilung über den Stirnflächen der Sonotroden im Bereich der Belotungs- bzw. KavitationszoneStarting from a solder bath of the type mentioned at the outset, there is the innovation is that the sonotrodes are connected to one another by a web in the area of their vibration node plane and are combined to form a component, the with the Sonotrodejjj connected transducers - as known per se - have a common oscillator circuit. Through this constructive The formation and arrangement of the sonotrodes are uniform Amplitude distribution over the end faces of the sonotrodes in the area of the soldering or cavitation zone

25, der. Lot schmelze. Bedingt dadurch, daß die Sonotroden im Bereich ihrer Schwingungsknoteneben-s durch einen Steg miteinander verbunden sind, ist es möglich, diese zu einem Bauteil zu vereinigen und somit Behr nahe benachbart zueinander, beispielsweise in einem Abstand von weniger als 0,3 mm gleichphasig zu betreiben. Der im Bereich der Schwingungsknotenebene der Sonotroden gelegene Steg ist unschädlich in Bezug auf eine mögliche gegenseitige Beeinflussung der Sonotroden. In der Befolgung dieser erfinderischen Lehre ist es möglich,25, the. Solder melt. Due to the fact that the sonotrodes are in the area their nodes of vibration are connected to one another by a bar are, it is possible to combine them into one component and thus Behr close to each other, for example operate in phase at a distance of less than 0.3 mm. The web located in the area of the vibration node plane of the sonotrodes is harmless in relation to one another on a possible mutual influence of the sonotrodes. In following this inventive teaching it is possible

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eine Vielzahl von eng. benachbarten Sonotroden in einer Reihe oder in einem Block anzuordnen, derart, daß im Bereich der Belotungs- bzw. Kavitationszone das schaelzfläüsige Zinn mit gleicher Phasenlage schwingt. In einem derartigen Bad können daher langgestreckte, aber auch größere flächige Teile ohne Flußmittel einwandfrei belotet werden.a variety of tight. adjacent sonotrodes in a row or to be arranged in a block in such a way that in the area of the soldering or cavitation zone the pewter-like tin with same phase position oscillates. In such a bath, therefore, elongated, but also larger flat parts without Soldering flux must be carried out properly.

Besonders vorteilhaft ist eo, die $urch einen Steg miteinander verbundenen Sonotroden aus einem Block zu bilden.It is particularly advantageous that they are connected to one another by a bridge connected sonotrodes from one block.

Der Block wird durch parallel zur Schwingungsrichtung der Sonotroden bis auf die Höhe des Steges oder der Stege geführten Schlitze in mehreren zueinander formgleichen Sonotroden unterteilt. Jede der so gebildeten Sonotroden ist eine Sektion aus einem allen Sonotroden gemeinsamen Block. Der "Sonotrodenblock" besitzt einen ihn umgebenden Einspannbund, der im Bereich der Stege bzw. der allen Sonotroden gemeinsamen Schwingungsknotenebene verläuft und mittels zwei Dichtungs- und Schwingungs- bzw. schallisolierende Manschetten klemmend mit dem Boden des Badbehälters, oder der Rinne verbunden ist.The block is guided parallel to the direction of vibration of the sonotrodes up to the height of the web or webs Slits divided into several sonotrodes of the same shape. Each of the sonotrodes formed in this way is a section from a block common to all sonotrodes. The "sonotrode block" has a clamping collar surrounding it, which is located in the area of the webs or the vibration node plane common to all sonotrodes runs and clamps with two sealing and vibration or sound-insulating sleeves the bottom of the bath tank, or the gutter is connected.

Durch dieee konstruktive Befestigung der Sonotrode bzw. des Sonotroüenblockes am Behälterboden wird einerseits eine gegenseitige nahe Anordnung der Sonotroden aber auch eine gute Abdichtung und Isolierung der Sonotroden gegenüber dem Behälterboden ermöglicht.Due to the constructive fastening of the sonotrode or the Sonotroüenblockes on the container bottom is on the one hand a mutual Close arrangement of the sonotrodes but also good sealing and insulation of the sonotrodes from the container bottom enables.

In den Zeichnungen ist ein gemäß der Neuerung gebildetes Lotbad sowie Einzelheiten hierzu dargestellt.In the drawings, a solder bath formed according to the innovation and details thereof are shown.

Figur 1 zeigt einen Lotbadbehälter 1, in dessen Boden 2 zwei Sonotroden 3, 4 hindurchgeführt sind. Die Sonotroden Bind hier aus einem gemeinsamen Block 5 durch Führen von zwei Schlitzen 6, 7 gebildet. Die Schlitze verlaufen parallel zu den Schwingungsrichtungen 8, 8' der Sonotroden und sind so angeordnet, daß die Sonotroden 3, 4 eine identisch gleiche Form aufweisen. Die Tiefe der Schlitze 6 und 7 ist derart bemessen, daß im Bereich einer der Schwingiuigsknotenebenen der beidenFIG. 1 shows a solder bath container 1, in the bottom 2 of which two sonotrodes 3, 4 are passed. The sonotrodes Bind are formed here from a common block 5 by guiding two slots 6, 7. The slots run parallel to the vibration directions 8, 8 'of the sonotrodes and are arranged so that the sonotrodes 3, 4 have an identical shape. The depth of the slots 6 and 7 is dimensioned such that in the area of one of the vibrating node planes of the two

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Sonotroden - wie hier nur teilweise strichpunktiert bei 9 dargestellt - ein Steg¹ 10 entsteht, durch den die beiden Sonotroden miteinander verbunden sind. Bedingt dadurch, daß der Steg im Bereich der Schwingungsknotenebene gelegen ist, beeinflussen sich die beiden Sonotroden nicht. Ein Einspaimbund 11 umgibt die beiden Sonotroden; er ist ebenfalls im Bereich der Schwingungsknotenebene 9 geführt. Der Bund ist hier beidseitig in Manschetten 13, H mittels einer Klemralasche und mehreren Spannschrauben 16 gehalten. Der Einspannbund dient in Verbindung mit den Manschetten und der Klemmbacke zur Abdichtung und zur schwingungsisolierenden Halterung der Sonotroden im Bereich der Durchführungsöffnung 12 im Boden 2 des Lotbades 1. Das im Lotbadbehälter 1 enthaltende schmelzflässige Lot 17 bedeckt die Stirnfläche 18, 18' der Sonotroden 3 und 4; über den Stirnflächen der beiden Sonotroden ist die Belotungszone gelegen. Über die Kopplungselemente 19» 19' sind die Sonotroden 3 und 4 jeweils mit einem Schallkopf 20, 20' verbunden. Die Schallköpfe sind im vorliegenden Beispiel als piezokeramische Schwinger ausgebildet; sie sind im Erreger-Stromkreis 21 des Ultraschallgenerators 22 parallel geschaltet, so daß die Sonotroden gleichphasig schwingen. Das hier nur schematisch dargestellte Lotbad ist - wie bei Ultra™ Bchall-Lotbädern bekannt - mit einem hier nicht dargestellten Kühlgebläse zur Kühlung der Kopplungselemente 19 und 19' ver-, sehen; dadurch' wird ein übergang der Wärme auf die Schallköpfe 20 und 20' vermieden. Ferner besrtzt das Lotbad eine thermostatisch gesteuerte Heizung.Sonotrodes - as here only partly shown chain-dotted lines at 9 - ¹ a web 10 is formed, the two sonotrodes are connected together by the. Due to the fact that the web is located in the area of the vibration node plane, the two sonotrodes do not influence each other. A Einspaimbund 11 surrounds the two sonotrodes; it is also guided in the area of the oscillation node plane 9. The collar is held here on both sides in collars 13, H by means of a clamping lug and several tensioning screws 16. The clamping collar, in conjunction with the cuffs and the clamping jaw, serves to seal and to hold the sonotrodes in a vibration-isolating manner in the area of the feed-through opening 12 in the bottom 2 of the solder bath 1. The molten solder 17 contained in the solder bath container 1 covers the end faces 18, 18 'of the sonotrodes 3 and 3 4; The soldering zone is located above the end faces of the two sonotrodes. The sonotrodes 3 and 4 are each connected to a transducer 20, 20 'via the coupling elements 19 »19'. In the present example, the transducers are designed as piezoceramic transducers; they are connected in parallel in the excitation circuit 21 of the ultrasonic generator 22 so that the sonotrodes vibrate in phase. The solder bath, shown here only schematically, is - as is known from Ultra ™ Bchall solder baths - with a cooling fan (not shown here) for cooling the coupling elements 19 and 19 '; as a result, a transfer of the heat to the transducers 20 and 20 'is avoided. The solder bath also has a thermostatically controlled heater.

Der den beiden Sonotroden gemeinsame Bund 11 ist vorteilhaft ebenfalls aus dem gemeinsamen Block 5 geformt.The collar 11 common to the two sonotrodes is advantageously also formed from the common block 5.

In den Figuren 2 und 3 sind zwei aus einem Block 5 gebildete Sonotroden 3 und 4 in der Vorder- und Seitenansicht dargestellt. Die Breite B der Schlitze 6 , 7 soll nicht mehr als 0,3 mm betragen. Der Sonotrodenfuß 3¹ und 4¹ einer jeden Sonotrode kann alsIn FIGS. 2 and 3, two sonotrodes 3 and 4 formed from a block 5 are shown in front and side views. The width B of the slots 6, 7 should not be more than 0.3 mm. The sonotrode base 3 ¹ and 4 ¹ of each sonotrode can be used as a

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Ankopplungsteil zur Aufnahme der Kopplungs- bzw. Kühl- und Übertragungselemente 19 und 19' breiter ausgebildet werden; Gewindebohrungen) dienen zur Aufnahme von hier nicht dargestellten Kopplungszapfen der Kupplungselemente.Coupling part for receiving the coupling or cooling and Transmission elements 19 and 19 'are made wider; Threaded holes) are used to accommodate not shown here Coupling pin of the coupling elements.

Wie durch Versuche ermittelt wurde, soll die Höhe H des Steges 10 beidseitig von der Schwingungsknotenebene 9 nicht mehr als fünf, vorteilhaft bei einer Frequenz von 2.0 KiIz, drei Millimeter betragen.As has been determined through tests, the height H of the web 10 on both sides of the vibration node plane 9 should not be more than five, advantageously at a frequency of 2.0 KiIz, three millimeters be.

Wie insbesondere aus der Figur 4 zu ersehen i Hf*" be steht auch die Möglichkeit, die Sonotroden 3,4 als getrennte Bauteile zu bilden, und z. B. durch Zwischenfügung eines in Form einer \ Metallfolie gebildeten Steges die beiden Sonotroden durch | Widerstandsschweißen zu verbinden. Indessen genügt es auch, den Steg 10' nur zwischen den beiden Sonotroden zu pressen. Eine derartige Anordnung bietet jedoch Schwierigkeiten; e3 ist ein diesem Falle eine Spannvorrichtung erforderlich, deren Aufwand beträchtlich und zudem raumgreifcxid ist.As i can be seen in particular from Figure 4 Hf * "be is also possible to form the sonotrodes 3.4 as separate components, and, for example, by the interposition of a web formed in the form of a \ metal foil, the two sonotrodes by |. Resistance welding However, it is also sufficient to press the web 10 'only between the two sonotrodes. Such an arrangement, however, presents difficulties; e3 in this case a clamping device is required, the effort of which is considerable and, moreover, extensive.

Entsprechend kann auch hier der 3und 11 ' im Form eines Kra- j gens gebildet sein, der sodann durch Schweißen, wie bei 24 dargestellt, mit den Sonotroden verbunden ist. Diese in Figur A-dargestellte Ausführungsform bedingt indessen einen höheren Aufwand zu ihrer· Erstellung, eo daß die in den Figuren 2 und 3 ]Correspondingly, here too, the 3 and 11 ′ can be formed in the form of a collar which is then connected to the sonotrodes by welding, as shown at 24. This embodiment shown in Figure A , however, requires a higher effort to create it, so that the in Figures 2 and 3]

dargestellte Ausführungsform zu bevorzugen ist. jillustrated embodiment is to be preferred. j

In entsprechender Weise, wie in den Figuren dargestellt, lassen IIn a corresponding manner, as shown in the figures, I

sich Anordnungen auch mit mehr als zwei Sonotroden bilden. We- jArrangements can also be formed with more than two sonotrodes. We- j

sentlich ist lediglich, daß einzelnen Sonotroden akustisch \ It is only essential that individual sonotrodes acoustically \

nahezu entkoppelt sind und daher wie mehrere unabhängige \ Systeme arbeiten. Dadurch ist es möglich, nahezu beliebigare almost decoupled and therefore operate like several independent \ systems. This makes it possible to do almost anything

langgestreckte Lotbäder mit Sonotroden derart auszurüsten, daß ]to equip elongated solder baths with sonotrodes in such a way that]

die Kavitationszone des Lotbades - wie in Fig. 1 bei 25 ] gestrichelt dargestellt - eine weltgehenst gleichmäßige Amplitudenverteiltung aufweist. Die enge Anordnung der Sonotro-the cavitation zone of the solder bath - as shown in broken lines in FIG. 1 at 25 ] - has an amplitude distribution that is as uniform as possible worldwide. The close arrangement of the sonotro-

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den ermöglicht ea, eine größere Sehalleistung als es bisher möglich war, in das Lotbad au übertragen. Ein besonderer Vorteil liegt noch darin, daß aufgrund der größeren wirksamen achallabstrahlenden Fläche auch eine größere Anzahl von Kleinbauteilen in einem Arbeitsgang flußmittelfrei verzinnt werden können.this enables ea, a greater visual performance than before was possible to transfer into the solder bath au. A particular advantage is that due to the larger effective achall-emitting surface, a large number of small components in one operation without flux can be tinned.

9 Patentansprüche
4 Figuren9 claims
4 figures

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Claims

S c h u .t ζ claims

1. Solder bath for flux-free tinning, consisting of a container or leading channel receiving the molten tin, through the bottom of which at least two sonotrpden, each connected to a transducer, are passed, characterized in that. "The sonotrodes (3 , 4) iffl area of their oscillation node plane (s) are connected to one another by a web (10) and combined to form a component, the transducers (20, 20 ') connected to the sonotrodes - as is known per se - having a common oscillator circuit (21) on / iron.

2. solder bath according to claim 1, characterized that the sonotropes (3, 4) connected to one another by a web (10) are formed from a block (5).

3. Solder bath according to claims 1 and 2, characterized in that the block (5) by parallel to the Vibration direction (8) up to the level of the web (10) guided seat braids (6, 7) in several mutually identical shapes Sonotrodes (3, 4) is divided.,

4. solder bath according to claims 1 to 3 »thereby g e k e η η shows that each of the two sonotrodes (3, 4 ··. ·) connecting web (10) in a common to all sonrodes Node level (9) located 1st,

5. solder bath according to claim 1, characterized net that the sonotrodes (3, 4) by inserting a Foil (10 ') connected to one another to form a block (5) bind.

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6. solder bath according to claims 1 to 4, thereby g e k en η shows that the width (B) of the slots (6.7) is at most 0.3 min.

7. solder bath according to claims 1 to 4, characterized in that the height (2H) of the web (10) at most 10 millimeters, but preferably at a frequency of 20 KHz, 6 millimeters.

8. solder bath according to claims 1 to 4, characterized g e k e η η shows that the web (10) in the area of the clamping plane the sonotrodes (3, 4) is arranged.

9. solder bath according to claims 1 to 4? thereby g e k e η η draws that the all sonotrodes (3, 4) common The clamping collar (11) and the web or webs (10) are arranged in a common plane (9).

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