JP2008290129A - 金属部材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比抵抗値の異なる金属部材の組み合わせであっても溶接可能で、低コストで良好な接合品質を確保することのできる金属部材の溶接方法を提供する。
【解決手段】第１金属部材１ｃに形成された突起部Ｔｃを、第２金属部材２ｃに対向させて重ね合わせ、プロジェクション溶接装置により、第１金属部１ｃと第２金属部材２ｃを加圧しながら通電して、第１金属部材１ｃの突起部Ｔｃと第２金属部材２ｃの当接面３ｃで仮接合する仮接合工程と、仮接合された当接面３ｃにレーザ光を照射して、該当接面３ｃで第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを溶融接合するレーザ溶接工程とを有してなる金属部材の溶接方法とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、比抵抗値の異なる金属部材の溶接方法に関する。

金属部材同士を溶接する方法が、例えば、特開２００７−６１８８３号公報（特許文献１）と特開平１０−２３５４８２号公報（特許文献２）に開示されている。特許文献１に開示されている溶接方法は、抵抗溶接の一種で、プロジェクション溶接と呼ばれる溶接方法である。また、特許文献２に開示されている溶接方法は、レーザ溶接と呼ばれる溶接方法である。

図５は、プロジェクション溶接を説明する図で、（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、溶接前と溶接後の金属部材の状態を示した模式的な断面図である。

プロジェクション溶接は抵抗溶接の一種で、図５（ａ）に示すように、溶接箇所に突起部（プロジェクション）Ｔａが設けられた一方の第１金属部材１ａと、もう一方の第２金属部材２ａを用意する。次に、第１金属部材１ａの突起部Ｔａを第２金属部材２ａに対向させて重ね合わせ、第１金属部材１ａと第２金属部材２ａを加圧しながら通電して大電流を流す。突起部Ｔａでは、電流が集中して流れ、第１金属部材１ａの突起部Ｔａと第２金属部材２ａの当接面の近傍で抵抗発熱する。これによって、図５（ｂ）に示すように、第１金属部材１ａと第２金属部材２ａの間にナゲット（溶接部に生じる溶融凝固した部分）Ｎａが形成され、第１金属部材１ａと第２金属部材２ａが溶接される。

プロジェクション溶接は、第１金属部材１ａの突起部Ｔａに集中して通電するため、溶接する第１金属部材１ａと第２金属部材２ａの板厚が異なる場合でも、小電流で電流密度を高くすることができる。これによって、小電流でも確実なナゲットＮａを形成でき、良好な溶接を行うことができる。

図６は、レーザ溶接を説明する図で、溶接中の金属部材の状態を示した模式的な断面図である。

レーザ溶接は、図６に示すように、第１金属部材１ｂと第２金属部材２ｂを重ね合わせ、集光された高エネルギー密度熱源のレーザ光を当てて、その光エネルギーにより、溶接部を加熱して行う溶接である。レーザ溶接では、スポット照射すると図６に示す細くて深いナゲットＮｂが形成される特徴があり、レーザ光の照射位置を例えば円弧状に走査してナゲットＮｂの形成領域を広げ、必要な溶接強度を確保することができる。
特開２００７−６１８８３号公報 特開平１０−２３５４８２号公報

図５に示すプロジェクション溶接は、突起部Ｔａを形成して抵抗溶接するため、板厚比（２以上）の大きな第１金属部材１ａと第２金属部材２ａの溶接にも適用可能である。しかしながら、プロジェクション溶接は、製品の形状によっては突起部Ｔａを理想的な位置や大きさに設けることができず、必要な強度が確保できずに溶接不可能となる場合がある。また、比抵抗値が大きく異なる第１金属部材１ａと第２金属部材２ａの組み合わせでは、比抵抗値の大きな金属部材のみが溶融するため、爆飛や強度不足といった問題が発生し、溶接不可能となる。

一方、図６に示すレーザ溶接では、比抵抗値が大きく異なる第１金属部材１ｂと第２金属部材２ｂの組み合わせであっても、溶接が可能である。しかしながらレーザ溶接では、第１金属部材１ｂと第２金属部材２ｂの溶接部に隙間があると強固な接合が得られないため、溶接部近傍を図６に示す治具Ｊｂで隙間無く押えて、レーザ照射する必要がある。このため、加圧のための治具形状が複雑化して、コストアップの要因となる。また、第１金属部材１ｂと第２金属部材２ｂの当接面に不純物があると接合品質に影響するため、事前に洗浄工程など入れる必要があり、これもコストアップの要因となる。

そこで本発明は、比抵抗値の異なる金属部材の組み合わせであっても溶接可能で、低コストで良好な接合品質を確保することのできる金属部材の溶接方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、比抵抗値の異なる第１金属部材と第２金属部材の溶接方法であって、前記第１金属部材に形成された突起部を、前記第２金属部材に対向させて重ね合わせ、プロジェクション溶接装置により、前記第１金属部材と第２金属部材を加圧しながら通電して、前記第１金属部材の突起部と前記第２金属部材の当接面で仮接合する仮接合工程と、仮接合された前記当接面にレーザ光を照射して、該当接面で前記第１金属部材と第２金属部材を溶融接合するレーザ溶接工程とを有してなることを特徴としている。

上記金属部材の溶接方法は、仮接合工程でプロジェクション溶接装置により第１金属部材と第２金属部材を仮接合した後、レーザ溶接工程で仮接合部をレーザ溶接するものである。

上記仮接合工程は、突起部が形成された第１金属部材と第２金属部材をプロジェクション溶接装置により仮接合するものであるが、十分な接合強度に溶接される必要はなく、後のレーザ溶接工程における取り扱いで第１金属部材と第２金属部材が剥がれない程度の接合強度があればよい。このため、プロジェクション溶接では溶接不可能な、比抵抗値が大きく異なる第１金属部材と第２金属部材の組み合わせであってもよい。また、第１金属部材に形成する突起部の位置や大きさについても制約が少なくなり、ＪＩＳ等の規格に制限されることなく、比較的自由に設定することができる。

上記仮接合を実施することで、後のレーザ溶接工程においては、レーザ照射時に従来必要であった溶接部近傍を押える治具が不要となり、コストを削減することができる。また、金属部材の表面に酸化物皮膜や不純物皮膜がある場合であっても、上記プロジェクション溶接装置による仮接合で、第１金属部材の突起部と第２金属部材の当接面における酸化物皮膜や不純物皮膜を除去することができる。このため、後のレーザ溶接工程においては、酸化物皮膜や不純物皮膜の無い前記当接面にレーザ光を照射することができ、良好な接合品質を確保することができる。また、レーザ照射前の洗浄工程等も不要であり、これによってもコストが削減される。

以上のようにして、上記金属部材の溶接方法は、比抵抗値の異なる金属部材の組み合わせであっても溶接可能で、低コストで良好な接合品質を確保することのできる金属部材の溶接方法となっている。

上記金属部材の溶接方法においては、例えば請求項２に記載のように、前記第１金属部材と第２金属部材の比抵抗値が、１．５倍以上異なるものであってよい。

また、上記金属部材の溶接方法においては、例えば請求項３に記載のように、前記第１金属部材をステンレス材とし、前記第２金属部材を、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ材）または機械構造用炭素鋼材（ＳＣ材）とすることができる。

上記金属部材の溶接方法は、例えば請求項４に記載のように、前記第１金属部材と第２金属部材の少なくとも一方が、冷間鍛造成形されてなる場合に好適である。

冷間鍛造成形後の金属部材表面には一般的に潤滑皮膜が形成されており、この潤滑皮膜が存在したままレーザ溶接すると、接合部の強度が低下する。しかしながら上記金属部材の溶接方法によれば、プロジェクション溶接装置による仮接合工程において、第１金属部材の突起部と第２金属部材の当接面における潤滑皮膜を飛散除去することができ、低コストで良好な接合品質を確保することができる。

また、上記金属部材の溶接方法は、請求項５に記載のように、前記第１金属部材と第２金属部材の少なくとも一方の表面に、酸化物皮膜または不純物皮膜が形成されてなる場合にも好適である。

酸化物皮膜や不純物皮膜についても、レーザ溶接における接合部の強度低下の要因となる。しかしながら上記金属部材の溶接方法によれば、プロジェクション溶接装置による仮接合工程において、第１金属部材の突起部と第２金属部材の当接面におけるこれら酸化物皮膜や不純物皮膜を排除することができ、低コストで良好な接合品質を確保することができる。

上記金属部材の溶接方法においては、請求項６に記載のように、前記仮接合工程において、仮接合後における前記当接面の面積が、前記第１金属部材における前記突起部の基底面積に対して、４０［％］以上となるように、加圧しながら通電することが好ましい。

仮接合後における当接面の面積が基底面積に対して４０［％］以上である場合には、プロジェクション溶接装置による加圧で突起部が十分に押し潰されて、第１金属部材の突起部と第２金属部材の当接面において、後のレーザ溶接工程における取り扱いで剥がれない程度の接合強度を確保することができる。また、仮接合後の突起部による第１金属部材と第２金属部材の隙間についても、突起部が十分に押し潰されることによって低減されるため、レーザ溶接後の製品における第１金属部材と第２金属部材の密着性が高められる。

上記金属部材の溶接方法においては、請求項７に記載のように、前記仮接合工程において、前記当接面に通電する電流が、仮接合後における前記当接面の面積に対して、２５０［Ａ／ｍｍ^２］以上、７５０［Ａ／ｍｍ^２］以下の電流密度となるように、加圧しながら通電することが好ましい。一般的な金属部材については、上記電流密度の範囲で、第１金属部材の突起部と第２金属部材の当接面において、後のレーザ溶接工程における取り扱いで剥がれない程度の接合強度を確保することができる。

上記金属部材の溶接方法において、請求項８に記載のように、前記突起部を、前記第１金属部材の平坦部に打ち出し加工により形成する場合には、前記レーザ溶接工程において、前記第１金属部側から、レーザ光を照射することが好ましい。

突起部を第１金属部材の平坦部に打ち出し加工により形成する場合には、第１金属部材の突起部と反対側の面には、凹部が形成される。この凹部は、レーザ溶接工程において、レーザ光の照射位置の目安として利用することができ、第１金属部側からレーザ光を照射することによって、仮接合された第１金属部材の突起部と第２金属部材の当接面に対して、簡単かつ確実にレーザ光を照射することができる。

本発明は、比抵抗値の異なる第１金属部材と第２金属部材の溶接方法に関する。以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、被溶接金属部材の一例を示す図で、（ａ）は、第１金属部材１ｃを模式的に示した上面図であり、（ｂ）は、第２金属部材２ｃを模式的に示した斜視図である。図２（ａ），（ｂ）と図３（ａ），（ｂ）は、本発明の溶接方法を説明するための図で、図１の第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを例にした、模式的な工程別の拡大断面図である。図４は、図３（ｂ）のレーザ溶接工程に対応した第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの全体像を模式的に示す斜視図である。

図１（ａ）に示す第１金属部材１ｃは、一方の被溶接部材で、板厚１．６［ｍｍ］のステンレス材（ＳＵＳ材）からなり、図の左右両端が折り曲げ形成されている。また、図１（ａ）の第１金属部材１ｃの裏面側には、プロジェクション溶接装置を利用するための突起部（プロジェクション）Ｔｃが、第１金属部材１ｃの平坦部における端部の近くで、打ち出し加工により形成されている。

図１（ａ）に示す突起部Ｔｃは、ＪＩＳに規定された形状および配置となるように形成されているが、次の図２と図３に示す溶接方法では、プロジェクション溶接装置を仮接合に利用しているだけであるため、突起部Ｔｃの形成をＪＩＳ規格に限定する必要はない。例えば、突起部Ｔｃを、平坦部のＪＩＳ規格外のより端部に近い位置に形成するようにしてもよい。

図１（ｂ）に示す第２金属部材２ｃは、冷間鍛造された一般構造用圧延鋼材（ＳＳ材）で、厚さが２４［ｍｍ］ある。従って、第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの厚さの比は、１：１５である。第２金属部材２ｃは、例えば機械構造用炭素鋼材（ＳＣ材）であってもよい。尚、冷間鍛造後の第２金属部材２ｃの表面には、一般的に油脂等の不純物からなる潤滑皮膜が形成されている。

一般的に、ＳＵＳ材は６０〜７０［μΩ・ｃｍ］の比抵抗値を有しており、ＳＳ材やＳＣ材は１０〜２０［μΩ・ｃｍ］の比抵抗値を有している。従って、図１（ａ），（ｂ）に示す第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃは、比抵抗値が大きく異なる材料であり、図５で説明したプロジェクション溶接は、第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃについては困難である。一般的に、第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの比抵抗値が１．５倍以上異なる場合にはプロジェクション溶接が困難となるが、次の図２と図３に示す溶接方法は、このような比抵抗値の異なる材料同士の溶接に好適に用いられるものである。

図２と図３に示す溶接方法では、図１（ａ），（ｂ）に示す第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを接合するにあたって、最初に図２（ａ）に示すように、第１金属部材１ｃに形成された突起部Ｔｃを第２金属部材２ｃに対向させて、第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを重ね合わせる。尚、図２（ａ）では、冷間鍛造後の第２金属部材２ｃ表面に形成された、潤滑皮膜２ｃｈが図示されている。

次の図２（ｂ）に示す工程は仮接合工程で、プロジェクション溶接装置により、第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを加圧しながら通電して、第１金属部材１ｃの突起部Ｔｃと第２金属部材２ｃの当接面３ｃで仮接合する。この仮接合工程においては、加圧力と通電による発熱で突起部Ｔｃが潰れていき、これに伴って第２金属部材２ｃ表面に形成さていた潤滑皮膜２ｃｈが当接面３ｃの周りに押し出されて、金属の新鮮な面が触れ合った状態で弱く接合する。このように、図２（ｂ）に示す仮接合工程においては、第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを十分な接合強度に溶接する必要はなく、後述する図３（ｂ）のレーザ溶接工程における取り扱いで第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃが剥がれない程度の接合強度があればよい。このため、図２（ｂ）の仮接合工程においては、図５（ｂ）に示したプロジェクション溶接によるナゲットＮａは形成されない。

図３（ａ）に、仮接合された第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを示す。

図２（ｂ）に示す仮接合工程においては、図３（ａ）に示す仮接合後における第１金属部材１ｃの突起部Ｔｃと第２金属部材２ｃの当接面３ｃの面積Ｓ３が、第１金属部材１ｃにおける突起部Ｔｃの基底面積ＳＴに対して、４０［％］以上となるように、加圧しながら通電することが好ましい。この場合には、プロジェクション溶接装置による加圧で突起部Ｔｃが十分に押し潰されて、当接面３ｃにおいて後のレーザ溶接工程における取り扱いで剥がれない程度の接合強度を確保することができる。また、仮接合後の突起部Ｔｃによる第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの図３（ａ）に示す隙間Ｗｃについても、突起部Ｔｃが十分に押し潰されることによって低減される。このため、次に示す図３（ｂ）のレーザ溶接後の製品における第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの密着性が高められる。

また、図２（ｂ）に示す仮接合工程においては、当接面３ｃに通電する電流が、図３（ａ）に示す仮接合後における当接面３ｃの面積Ｓ３に対して、２５０［Ａ／ｍｍ^２］以上、７５０［Ａ／ｍｍ^２］以下の電流密度となるように、加圧しながら通電することが好ましい。一般的な金属部材については、上記電流密度の範囲で、第１金属部材１ｃの突起部Ｔｃと第２金属部材２ｃの当接面３ｃにおいて、次の図３（ｂ）に示すレーザ溶接工程における取り扱いで剥がれない程度の接合強度を確保することができる。例えば、図１（ａ），（ｂ）に示す第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの仮接合においては、通常のプメジェクション溶接の条件に較べて、電流を約４割減じた条件で仮接合することが可能である。

次に、図３（ｂ）に示すレーザ溶接工程で、レーザ溶接装置により仮接合された第１金属部材１ｃの突起部Ｔｃと第２金属部材２ｃの当接面３ｃにレーザ光を照射して、当接面３ｃで第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを溶融接合する。第１金属部材１ｃの突起部Ｔｃは、平坦部に打ち出し加工により形成されているため、第１金属部材１ｃの突起部Ｔｃと反対側の面には、凹部Ｈｃが形成されている。この凹部Ｈｃは、レーザ光の照射位置の目安として利用することができ、第１金属部１ｃ側からレーザ光を照射することによって、仮接合された第１金属部材１ｃの突起部Ｔｃと第２金属部材２ｃの当接面３ｃに対して、簡単かつ確実にレーザ光を照射することができる。

図３（ｂ）に示すレーザ溶接によって、第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの必要な溶接強度を確保する。図３（ｂ）では、レーザ溶接により形成された、ナゲット（溶接部に生じる溶融凝固した部分）Ｎｃが図示されている。図３（ｂ）に示すレーザ溶接では、レーザ光の照射位置を例えば円弧状に走査してナゲットＮｃの形成領域を広げ、必要な溶接強度を確保することができる。

図２（ａ）に示したように、冷間鍛造成形後の第２金属部材２ｃ表面には一般的に潤滑皮膜２ｃｈが形成されており、この潤滑皮膜２ｃｈが存在したままレーザ溶接すると、接合部の強度が低下する。また、潤滑皮膜２ｃｈに限らず、その他の不純物皮膜や酸化物皮膜についても、レーザ溶接における接合部の強度低下の要因となる。

しかしながら当該溶接方法によれば、図２（ｂ）に示すプロジェクション溶接装置による仮接合工程において、第１金属部材１ｃの突起部Ｔｃと第２金属部材２ｃの当接面３ｃにおける潤滑皮膜２ｃｈを飛散除去することができる。潤滑皮膜２ｃｈに限らず、第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの少なくとも一方の表面に形成されたその他の不純物皮膜や酸化物皮膜についても、図２（ｂ）に示す仮接合工程において、同様に除去することが可能である。従って、図３（ｂ）に示すレーザ溶接工程においては、潤滑皮膜２ｃｈやその他の不純物皮膜および酸化物皮膜の無い当接面３ｃにレーザ光を照射することができ、低コストで良好な接合品質を確保することができる。

上記図２と図３に示す金属部材の溶接方法は、図２（ｂ）に示す仮接合工程でプロジェクション溶接装置により第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを仮接合した後、図３（ｂ）に示すレーザ溶接工程で仮接合部である当接面３ｃをレーザ溶接するものである。

図２（ｂ）に示す仮接合工程は、突起部Ｔｃが形成された第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃをプロジェクション溶接装置により仮接合するものであるが、十分な接合強度に溶接される必要はなく、後の図３（ｂ）に示すレーザ溶接工程における取り扱いで第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃが剥がれない程度の接合強度があればよい。このため、図５において説明したプロジェクション溶接では溶接不可能な、比抵抗値が大きく異なる第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの組み合わせであってもよい。また、第１金属部材１ｃに形成する突起部Ｔｃの位置や大きさについても制約が少なくなり、ＪＩＳ等の規格に制限されることなく、比較的自由に設定することができる。

図２（ｂ）に示す仮接合を実施することで、後の図３（ｂ）に示すレーザ溶接工程においては、図６において説明したレーザ照射時に従来必要であった溶接部近傍を押える治具Ｊｂが不要となり、コストを削減することができる。また、先に説明したように、金属部材の表面に酸化物皮膜や不純物皮膜がある場合であっても、図２（ｂ）に示すプロジェクション溶接装置による仮接合で、第１金属部材１ｃの突起Ｔｃと第２金属部材２ｃの当接面３ｃにおける酸化物皮膜や不純物皮膜を除去することができる。このため、後のレーザ溶接工程においては、酸化物皮膜や不純物皮膜の無い前記当接面３ｃにレーザ光を照射することができ、良好な接合品質を確保することができる。また、レーザ照射前の洗浄工程等も不要であり、これによってもコストが削減される。

以上のようにして、上記した金属部材の溶接方法は、比抵抗値の異なる金属部材の組み合わせであっても溶接可能で、低コストで良好な接合品質を確保することのできる金属部材の溶接方法となっている。

被溶接部材の一例を示す図で、（ａ）は、第１金属部材１ｃを模式的に示した上面図であり、（ｂ）は、第２金属部材２ｃを模式的に示した斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の溶接方法を説明するための図で、図１の第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを例にした、模式的な工程別の拡大断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の溶接方法を説明するための図で、図１の第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃを例にした、模式的な工程別の拡大断面図である。 図３（ｂ）のレーザ溶接工程に対応した第１金属部材１ｃと第２金属部材２ｃの全体像を模式的に示す斜視図である。 プロジェクション溶接を説明する図で、（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、溶接前と溶接後の金属部材の状態を示した模式的な断面図である。 レーザ溶接を説明する図で、溶接中の金属部材の状態を示した模式的な断面図である。

符号の説明

１ａ〜１ｃ 第１金属部材
Ｔａ，Ｔｃ 突起部
２ａ〜２ｃ 第２金属部材
２ｃｈ 潤滑皮膜
３ｃ 当接面
Ｎａ〜Ｎｃ ナゲット

Claims (8)

1. 比抵抗値の異なる第１金属部材と第２金属部材の溶接方法であって、
   前記第１金属部材に形成された突起部を、前記第２金属部材に対向させて重ね合わせ、プロジェクション溶接装置により、前記第１金属部材と第２金属部材を加圧しながら通電して、前記第１金属部材の突起部と前記第２金属部材の当接面で仮接合する仮接合工程と、
   仮接合された前記当接面にレーザ光を照射して、該当接面で前記第１金属部材と第２金属部材を溶融接合するレーザ溶接工程とを有してなることを特徴とする金属部材の溶接方法。
2. 前記第１金属部材と第２金属部材の比抵抗値が、１．５倍以上異なることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の溶接方法。
3. 前記第１金属部材がステンレス材であり、
   前記第２金属部材が、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ材）または機械構造用炭素鋼材（ＳＣ材）であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属部材の溶接方法。
4. 前記第１金属部材と第２金属部材の少なくとも一方が、冷間鍛造成形されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の金属部材の溶接方法。
5. 前記第１金属部材と第２金属部材の少なくとも一方の表面に、酸化物皮膜または不純物皮膜が形成されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の金属部材の溶接方法。
6. 前記仮接合工程において、
   仮接合後における前記当接面の面積が、前記第１金属部材における前記突起部の基底面積に対して、４０［％］以上となるように、加圧しながら通電することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の金属部材の溶接方法。
7. 前記仮接合工程において、
   前記当接面に通電する電流が、仮接合後における前記当接面の面積に対して、２５０［Ａ／ｍｍ^２］以上、７５０［Ａ／ｍｍ^２］以下の電流密度となるように、加圧しながら通電することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の金属部材の溶接方法。
8. 前記突起部を、前記第１金属部材の平坦部に打ち出し加工により形成し、
   前記レーザ溶接工程において、前記第１金属部側から、レーザ光を照射することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の金属部材の溶接方法。

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