JP2014155945A - 非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、スタート用高周波電圧の印加によって発生する電磁波ノイズを低減すること。
【解決手段】時刻ｔ２にロボットの移動によって溶接トーチが予め教示された溶接開始位置Ｌｃに到着すると、溶接トーチを前進移動させ、時刻ｔ３に溶接トーチが予め教示されたアーク発生位置Ｌａに到着するとスタート用高周波電圧を印加し、時刻ｔ４にアークが発生するとアークの発生状態を維持したままで溶接トーチを後退移動させ、時刻ｔ５に溶接トーチが溶接開始位置Ｌｃに復帰すると、溶接トーチを溶接線に沿って移動させて溶接を行う。これにより、スタート用高周波電圧の強度が弱く設定されても、電極と母材との距離を短くしてから印加するので、瞬時にアークが点弧し、かつ、電磁波ノイズも低減される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、溶接トーチに装着された電極と母材との間にスタート用高周波電圧を印加してアークを発生させる非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法に関するものである。

非消耗電極アーク溶接には、ティグ溶接、プラズマアーク溶接等がある。これらの非消耗電極アーク溶接において、アークを点弧するためにスタート用高周波電圧を電極と母材との間に引火する方法が慣用されている。

このスタート用高周波電圧は、数ＭＨｚ数ｋＶの高周波高電圧である。このスタート用高周波電圧を発生させる回路には、フライバックトランス、コンデンサ、放電ギャップ等が含まれている。フライバックトランスの２次側に発生した数ｋＶの高電圧によってコンデンサが充電され、充電電圧が一定値を超えると放電ギャップで放電が発生して高周波高電圧が発生する。この高周波高電圧がカップリングコイルを介して電極と母材との間に印加される。スタート用高周波電圧の強度を、電極を母材に徐々に近づけていきアークが点弧した電極先端・母材間距離として表すことができる。このスタート用高周波電圧の強度は、フライバックトランスの２次側電圧、コンデンサの容量、放電ギャップの間隔等を調整することで変化させることができる。

上述したようなスタート用高周波電圧を使用するアークスタート方法では、強い電磁波ノイズが発生するために、周辺機器に対して誤動作を引き起こしたり、ときには故障を生じさせる場合もある。

この問題を解決するために、スタート用高周波電圧の強度を弱くすることが考えられる。電磁波ノイズの強度は、スタート用高周波電圧の強度と比例関係にあるので、スタート用高周波電圧の強度が弱くなると、電磁波ノイズも低減される。反面、この方法では、アークスタート時の電極先端・母材間距離が短くないとアークは点弧しないために、通常の電極先端・母材間距離ではアークスタート不良が多発することになる。このときに、電極を予め加熱して高温状態にしてから、スタート用高周波電圧を印加すると、強度が弱い状態であっても良好なアークスタートを行うことができる。これは、電極が高温状態にあると、電極からの電子の放出が容易になるためである（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法では、電極を予熱するための特別な機器が必要となり、コストアップとなる。

また、上述した問題を解決する別の方法として、タッチスタート制御方法がある。このタッチスタート制御方法では、溶接トーチに装着された非消耗の電極を溶接トーチを前進移動させて母材と接触させ、電極が母材と接触して短絡状態になると小電流値の初期電流を通電し、その後に溶接トーチを後退移動させて電極を母材から引き離してアークを発生させ、アークが発生すると予め定めた定常電流を通電する。このタッチスタート制御方法では、電磁波ノイズは発生せず、良好なアークスタート性を得ることができる（例えば、特許文献２参照）。しかし、この方法では、電極が前進移動によって母材と接触したときに電極先端が損傷を受けることになる。この結果、頻繁に電極の交換又は研磨を行う必要があり、生産効率が大幅に低下する。

特開平６−７９４６５号公報 特許第２６４０３１３号公報

そこで、本発明では、特別な機器を使用することなく、かつ、電極に損傷を与えることなく、電磁波ノイズを低減することができる非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接トーチに装着された電極と母材との間にスタート用高周波電圧を印加してアークを発生させる非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
ロボットの移動によって前記溶接トーチが予め教示された溶接開始位置に到着すると、前記溶接トーチを前進移動させ、前記溶接トーチが予め教示されたアーク発生位置に到着すると前記スタート用高周波電圧を印加し、前記アークが発生すると前記アークの発生状態を維持したままで前記溶接トーチを後退移動させ、前記溶接トーチが前記溶接開始位置に復帰すると、前記溶接トーチを溶接線に沿って移動させて溶接を行う、
ことを特徴とする非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。

請求項２の発明は、前記アークが発生した時点から前記溶接トーチが前記溶接開始位置に復帰するまでの後退移動期間中は予め定めたスタート電流を通電し、その後は予め定めた定常電流を通電する、
ことを特徴とする請求項１記載の非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。

請求項３の発明は、溶接休止時間を計測し、この溶接休止時間が所定時間未満のときは、前記溶接トーチが前記溶接開始位置に到着すると前記スタート用高周波電圧を印加し、前記アークが発生すると前記溶接トーチを前記溶接線に沿って移動させて溶接を行う、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。

本発明によれば、電極と母材との距離が短いアーク発生位置に溶接トーチが到着した時点でスタート用高周波電圧を印加するので、スタート用高周波電圧の強度が弱くても、瞬時にアークを点弧させることができる。スタート用高周波電圧の強度が弱く、かつ、瞬時にアークが点弧するので、電磁波ノイズが低減される。さらに、本発明では、特別な機器を使用する必要がなく、かつ、電極は母材と接触しないので電極に損傷を与えることもない。

本発明の実施の形態１に係る非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。 本発明の実施の形態１に係る非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示す図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、溶接休止時間が所定時間未満であるときの図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するためのロボットを使用した溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。

電流検出回路ＩＤは、アーク３中を通電する溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。通電判別回路ＷＣＲは、この電流検出信号Ｉｄを入力として、電流検出信号Ｉｄの値がしきい値以上のときはＨｉｇｈレベルとなる通電判別信号Ｗcrを出力する。しきい値は、電流が通電していることを判別するために１〜５Ａ程度に設定される。溶接電流Ｉｗが通電したことを判別してアーク３が発生したと判別している。これらの回路は、ロボット制御装置ＲＣ又は溶接電源ＰＳに内蔵されることが多い。

ロボット制御装置ＲＣは、外部からの溶接開始信号Ｓｔ及び上記の通電判別信号Ｗcrを入力として図２で詳述する以下の処理を行い、ロボットＲＭの動作制御を行う動作制御信号ＭｃをロボットＲＭの各軸のサーボモータ（図示は省略）に出力すると共に、起動信号Ｏｎ及び電流設定信号Ｉｒを溶接電源ＰＳに出力する。
１）溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、ロボットＲＭに搭載された溶接トーチ４を予め教示された溶接開始位置Ｓｐに移動させるための動作制御信号Ｍｃを出力する。
２）溶接トーチ４が溶接開始位置Ｓｐに到着すると、溶接トーチ４を前進移動させるための動作制御信号Ｍｃを出力する。前進移動の方向は、電極１の長手方向に母材２に近づく方向である。
３）溶接トーチ４が予め教示されたアーク発生位置Ａｐに到着すると、溶接トーチ４の移動を停止させるための動作制御信号Ｍｃを出力する。同時に、起動信号ＯｎをＨｉｇｈレベル（溶接電源ＰＳによるスタート用高周波電圧の出力開始）にして出力すると共に、電流設定信号Ｉｒを予め定めたスタート電流設定値Ｉsrにして出力する。
４）スタート用高周波電圧の印加によってアーク３が発生して溶接電流Ｉｗが通電すると、通電判別信号ＷcrがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、溶接トーチ４を後退移動させるための動作制御信号Ｍｃを出力する。後退移動の方向は、前進移動と逆方向である。
５）後退移動によって溶接トーチ４が溶接開始位置Ｓｐに復帰すると、溶接トーチ４の後退移動を停止させて、溶接線に沿って移動させるための動作制御信号Ｍｃを出力する。同時に、電流設定信号Ｉｒを予め定めた定常電流設定値Ｉcrに切り換えて出力する。

ロボットＲＭは、溶接トーチ４を搭載して、上記の動作制御信号Ｍｃに従って溶接トーチ４の先端位置（ＴＣＰ）を予め教示された動作軌跡に沿って移動させる。

溶接電源ＰＳは、垂下特性又は定電流特性の電源であり、上記の通電判別信号Ｗcr、上記の起動信号Ｏｎ及び上記の電流設定信号Ｉｒを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルになるとスタート用高周波電圧及び溶接電圧Ｖｗの出力を開始し、通電判別信号ＷcrがＨｉｇｈレベルになるとスタート用高周波電圧の出力を停止し、アーク３が発生すると電流設定信号Ｉｒによって定まる溶接電流Ｉｗを出力する。

溶接トーチ４に装着されたタングステン等の非消耗の電極１と母材２との間にアーク３が発生する。電極１と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加し、アーク３中を溶接電流Ｉｗが通電する。電極１の先端と母材２との距離が電極先端・母材間距離Ｌｗ（mm）であり、したがってこの電極先端・母材間距離Ｌｗはアーク発生中はアーク長と同一になる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示す図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、同図（Ｂ）は起動信号Ｏｎの時間変化を示し、同図（Ｃ）は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示し、同図（Ｄ）は通電判別信号Ｗcrの時間変化を示し、同図（Ｅ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｆ）は電極先端・母材間距離Ｌｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の期間
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号Ｓｔが外部から入力（Ｈｉｇｈレベル）されると、ロボットＲＭに搭載された溶接トーチ４を移動させて、時刻ｔ２において溶接トーチ４は予め教示された溶接開始位置Ｓｐに到着して停止する。同図（Ｆ）に示すように、電極先端・母材間距離Ｌｗは、時刻ｔ１から短くなり、時刻ｔ２で定常距離Ｌｃとなる。

（２）時刻ｔ２〜ｔ３の期間
時刻ｔ２において、溶接トーチ４が溶接開始位置Ｓｐに到着すると、溶接トーチ４は前進移動を開始する。同図（Ｆ）に示すように、電極先端・母材間距離Ｌｗは、次第に短くなる。

（３）時刻ｔ３〜ｔ４の期間
時刻ｔ３において、前進移動によって溶接トーチ４が予め教示されたアーク発生位置Ａｓに到着すると、溶接トーチ４の前進移動を停止する。同時に、同図（Ｂ）に示すように、起動信号ＯｎはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、溶接電源ＰＳは、スタート用高周波電圧の出力を開始する。また、溶接電源ＰＳは、定電流特性を形成して出力を開始するが、この期間中は電極１と母材２との間は無負荷状態にあるために、無負荷電圧が印加する。さらに、同図（Ｃ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、時刻ｔ２において、予め定めた定常電流設定値Ｉcrから予め定めたスタート電流設定値Ｉsrに変化する。同図（Ｆ）に示すように、電極先端・母材間距離Ｌｗは、時刻ｔ３ではアーク発生距離Ｌａになっており、その状態が時刻ｔ４まで継続する。当然、Ｌａ＜Ｌｃである。時刻ｔ３〜ｔ４の期間中、スタート用高周波電圧の印加が継続し、溶接トーチ４は停止状態にある。

（４）時刻ｔ４〜ｔ５の期間
時刻ｔ４において、スタート用高周波電圧の印加によってアーク３が点弧すると、同図（Ｅ）に示すように、溶接電流Ｉｗとしてスタート電流Ｉｓが通電する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、通電判別信号ＷcrがＨｉｇｈレベルに変化する。これを受けて、アーク発生状態を維持したままで溶接トーチ４の後退移動が開始される。このために、同図（Ｆ）に示すように、電極先端・母材間距離Ｌｗは、アーク発生距離Ｌａから次第に長くなる。

（５）時刻ｔ５以降の期間
時刻ｔ５において、後退移動によって溶接トーチ４が上記の溶接開始位置Ｓｐに復帰すると、溶接トーチ４は後退移動を停止し、溶接線に沿っての移動を開始する。これに応動して、同図（Ｃ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、予め定めた定常電流設定値Ｉcrに変化し、同図（Ｅ）に示すように、溶接電流Ｉｗは定常電流Ｉｃに変化する。同図（Ｆ）に示すように、電極先端・母材間距離Ｌｗは、時刻ｔ５では上記の定常距離Ｌｃとなり、それ以降もその値を維持する。時刻ｔ２〜ｔ５の期間がアークスタート期間となり、時刻ｔ５以降の期間が定常溶接期間となる。

本実施の形態においては、スタート用高周波電圧の強度を通常よりも弱くなるように設定する。この設定は、上述したように、フライバックトランスの２次側電圧を低くすること、コンデンサの容量を小さくすること、放電ギャップの間隔を狭くすること等によって行う。上記の定常距離Ｌｃは、定常溶接期間中のアーク長となり、ワークの板厚、継手形状、電極の直径、定常電流値Ｉｃ等に応じて適正値に設定される。例えば、Ｌｃ＝５mmである。上記のアーク発生距離Ｌａは、定常距離Ｌｃの３０〜５０％程度に設定される。したがって、上記の溶接開始位置Ｓｐは、電極先端・母材間距離Ｌｗが定常距離Ｌｃとなる位置である。また、上記のアーク発生位置Ａｐは、電極先端・母材間距離Ｌｗがアーク発生距離Ｌａとなる位置である。

上述した実施の形態１によれば、ロボットの移動によって溶接トーチが予め教示された溶接開始位置に到着すると、溶接トーチを前進移動させ、溶接トーチが予め教示されたアーク発生位置に到着するとスタート用高周波電圧を印加し、アークが発生するとアークの発生状態を維持したままで溶接トーチを後退移動させ、溶接トーチが溶接開始位置に復帰すると、溶接トーチを溶接線に沿って移動させて溶接を行う。これにより、電極と母材との距離が短いアーク発生位置に溶接トーチが到着した時点でスタート用高周波電圧を印加するので、スタート用高周波電圧の強度が弱くても、瞬時にアークを点弧させることができる。スタート用高周波電圧の強度が弱く、かつ、瞬時にアークが点弧するので、電磁波ノイズが低減される。さらに、本実施の形態では、特別な機器を使用する必要がなく、かつ、電極は母材と接触しないので電極に損傷を与えることもない。

上記のスタート電流Ｉｓは、定常電流Ｉｃが１００Ａ程度未満の小電流値であるときは、定常電流Ｉｃよりも大きな値に設定されることが多い。このようにすることで、電極及び母材が直ぐに高温状態になり、溶接状態が安定化する。また、定常電流Ｉｃが１００Ａ程度以上のときには、スタート電流Ｉｓは定常電流Ｉｃよりも小さな値に設定されることが多い。このようにすることで、アークスタート部のビードが定常溶接部よりも盛り上がることを抑制することができる。このときに、溶接トーチの後退移動時の電極先端・母材間距離Ｌｗに応じてスタート電流Ｉｓを定常電流値Ｉｃまで傾斜を有して増加させるようにしても良い。これにより、スタート電流Ｉｓから定常電流Ｉｃへとスムーズに変化するので、溶融池の振動が小さくなり、溶接状態が安定化する。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、溶接休止時間を計測し、この溶接休止時間が所定時間未満のときは、溶接トーチが溶接開始位置に到着するとスタート用高周波電圧を印加し、アークが発生すると溶接トーチを溶接線に沿って移動させて溶接を行うものである。すなわち、溶接休止時間が所定時間以上のときは実施の形態１のアークスタート制御方法を実施し、未満のときは溶接開始位置でスタート用高周波電圧を印加してアークを点弧させる従来技術のアークスタート制御方法を実施する。

溶接休止時間とは、前回の溶接終了から今回の溶接開始までの時間である。溶接終了は起動信号ＯｎがＬｏｗレベルになり、溶接電源の出力が停止された時点である。溶接開始は起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルになり、溶接電源が出力を開始した時点である。

実施の形態２に係る非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置は、上述した図１と同一である。但し、ロボット制御装置ＲＣの動作が異なっている。溶接休止時間が所定時間以上のときの動作は、上述した図２と同一であるので、説明は省略する。溶接休止時間が所定時間未満のときの動作は、図３で後述する。

図３は、本発明の実施の形態２に係る非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、溶接休止時間が所定時間未満であるときの図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、同図（Ｂ）は起動信号Ｏｎの時間変化を示し、同図（Ｃ）は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示し、同図（Ｄ）は通電判別信号Ｗcrの時間変化を示し、同図（Ｅ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｆ）は電極先端・母材間距離Ｌｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の期間
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号Ｓｔが外部から入力（Ｈｉｇｈレベル）されると、ロボットＲＭに搭載された溶接トーチ４を移動させて、時刻ｔ２において溶接トーチ４は予め教示された溶接開始位置Ｓｐに到着して停止する。同図（Ｆ）に示すように、電極先端・母材間距離Ｌｗは、時刻ｔ１から短くなり、時刻ｔ２で定常距離Ｌｃとなる。

（２）時刻ｔ２〜ｔ３の期間
時刻ｔ２において、溶接トーチ４が溶接開始位置Ｓｐに到着すると、同図（Ｂ）に示すように、起動信号ＯｎはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、溶接電源ＰＳは、スタート用高周波電圧の出力を開始する。また、溶接電源ＰＳは、定電流特性を形成して出力を開始するが、この期間中は電極１と母材２との間は無負荷状態にあるために、無負荷電圧が印加する。起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化した時点において、溶接休止時間が計測される。この溶接休止時間と所定時間とを比較する。同図は、溶接休止時間が所定時間未満の場合である。同図（Ｃ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは予め定めた定常電流設定値Ｉcrのままである。同図（Ｆ）に示すように、電極先端・母材間距離Ｌｗは、時刻ｔ２以降は定常距離Ｌｃのままである。時刻ｔ２〜ｔ３の期間中、スタート用高周波電圧の印加が継続し、溶接トーチ４は停止状態にある。

（３）時刻ｔ３以降の期間
時刻ｔ３において、スタート用高周波電圧の印加によってアーク３が点弧すると、同図（Ｅ）に示すように、溶接電流Ｉｗとして定常電流Ｉｃが通電する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、通電判別信号ＷcrがＨｉｇｈレベルに変化する。これを受けて、溶接トーチ４は溶接線に沿っての移動を開始する。時刻ｔ２〜ｔ３の期間がアークスタート期間となり、時刻ｔ３以降の期間が定常溶接期間となる。

今回の溶接開始時点における電極の温度は、溶接休止時間が長くなるのに伴い低くなる。溶接休止時間が所定時間未満であれば、電極の温度は基準温度よりも高い状態にある。電極の温度が高いほど、スタート用高周波電圧の強度が弱くても、電極先端・母材間距離Ｌｗが定常距離Ｌｃの状態で瞬時にアークを点弧させることができる。したがって、溶接休止時間が所定時間未満のときは、実施の形態１のように電極先端・母材間距離Ｌｗを短くする前進移動動作を行わないようにしている。上記の所定時間は、スタート用高周波電圧の強度が弱く設定されても、定常距離Ｌｃでアークが瞬時に点弧する電極の温度以上となる値として設定される。所定時間は、前回の溶接における定常電流値Ｉｃ及び溶接時間に応じて適正値に変化させることが望ましい。例えば、所定時間は３〜６秒程度に設定される。

上述した実施の形態２によれば、溶接休止時間を計測し、この溶接休止時間が所定時間未満のときは、溶接トーチが溶接開始位置に到着するとスタート用高周波電圧を印加し、アークが発生すると溶接トーチを溶接線に沿って移動させて溶接を行う。これにより、実施の形態１の効果に加えて、溶接トーチを前進移動及び後退移動させる時間が不要になるので、アークスタートにかかる時間を短縮することができる。このために、生産効率を高めることができる。

１ 電極
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
Ａｐ アーク発生位置
Ａｓ アーク発生位置
Ｉｃ 定常電流
Ｉcr 定常電流設定値
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｓ スタート電流
Ｉsr スタート電流設定値
Ｉｗ 溶接電流
Ｌａ アーク発生距離
Ｌｃ 定常距離
Ｌｗ 電極先端・母材間距離
Ｍｃ 動作制御信号
Ｏｎ 起動信号
ＰＳ 溶接電源
ＲＣ ロボット制御装置
ＲＭ ロボット
Ｓｐ 溶接開始位置
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＣＲ 通電判別回路
Ｗcr 通電判別信号

Claims (3)

1. 溶接トーチに装着された電極と母材との間にスタート用高周波電圧を印加してアークを発生させる非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
   ロボットの移動によって前記溶接トーチが予め教示された溶接開始位置に到着すると、前記溶接トーチを前進移動させ、前記溶接トーチが予め教示されたアーク発生位置に到着すると前記スタート用高周波電圧を印加し、前記アークが発生すると前記アークの発生状態を維持したままで前記溶接トーチを後退移動させ、前記溶接トーチが前記溶接開始位置に復帰すると、前記溶接トーチを溶接線に沿って移動させて溶接を行う、
   ことを特徴とする非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
2. 前記アークが発生した時点から前記溶接トーチが前記溶接開始位置に復帰するまでの後退移動期間中は予め定めたスタート電流を通電し、その後は予め定めた定常電流を通電する、
   ことを特徴とする請求項１記載の非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
3. 溶接休止時間を計測し、この溶接休止時間が所定時間未満のときは、前記溶接トーチが前記溶接開始位置に到着すると前記スタート用高周波電圧を印加し、前記アークが発生すると前記溶接トーチを前記溶接線に沿って移動させて溶接を行う、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の非消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法。

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