JP2024060331A - Buried Arc Welding Method - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制することができる埋もれアーク溶接方法を提供する。【解決手段】マンガンを含有する溶接ワイヤを用いた消耗電極式の埋もれアーク溶接方法であって、アークによって母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて、母材を溶接する。【選択図】図3[Problem] To provide a buried arc welding method capable of suppressing the emission of manganese to the outside of the weld metal. [Solution] A consumable electrode buried arc welding method using a welding wire containing manganese, in which the tip of the welding wire is inserted into a space surrounded by a concave molten portion formed in the base metal by the arc, to weld the base metal. [Selected Figure] Figure 3
Description
本発明は、埋もれアーク溶接方法に関する。 The present invention relates to a buried arc welding method.
厚板の溶接には、高電流条件でのGMA(Gas Metal Arc)溶接が用いられており、消耗電極である溶接ワイヤは、溶接金属の強度及びじん性を向上させるマンガン(Mn)を含んでいる(例えば、特許文献1)。 Gas Metal Arc (GMA) welding is used under high current conditions to weld thick plates, and the welding wire, which is a consumable electrode, contains manganese (Mn), which improves the strength and toughness of the weld metal (see, for example, Patent Document 1).
しかし、高電流条件での溶接においては、溶接継手の機械的性能の低下が問題となる。その原因のひとつとして、溶接金属中のマンガン元素濃度の低下がある。
鉄鋼材料において、マンガンは引張強さを向上させる元素として知られており、例えばJIS G 3136におけるSN490B鋼には、最大1.65%のマンガンが添加される。
また、溶接において、マンガンには脱酸元素としての役割もある。溶接金属中に酸素が混入すると、機械的特性が悪化することが知られている。これに対し、マンガンが酸素と結合してスラグ又はヒュームとなり、溶接金属外部に排出されることで、溶接金属中の酸素量を低減させることができる。したがって、溶接ワイヤにおいては、脱酸材としてのマンガンの消費を考慮しつつ、溶接金属の引張強さを確保するために、母材よりもマンガン濃度が大きい場合が多い。
スラグ又はヒュームとしてのマンガンの排出は、溶接電流又は溶接入熱が大きくなるほど、多くなる。これは、溶融金属が高温で長期間保持され、酸化しやすくなることによる。したがって高電流溶接では、溶接金属中のマンガン濃度が低下しやすく、それに伴って引張強さが低下しやすい。加えて、近年、スラグ又はヒューム中のマンガンにより健康被害が生じる可能性が指摘され、規制が強化されており、スラグ又はヒューム中へのマンガンの排出はこの観点でも好ましくない。
以上より、溶接金属の引張強さの低下防止と、健康被害リスク低減の2つの観点から、溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制する必要がある。
However, in welding under high current conditions, the mechanical properties of the welded joints deteriorate, and one of the causes is the decrease in the manganese concentration in the weld metal.
In steel materials, manganese is known as an element that improves tensile strength. For example, SN490B steel in JIS G 3136 contains a maximum of 1.65% manganese.
In addition, manganese also plays a role as a deoxidizing element in welding. It is known that the inclusion of oxygen in the weld metal deteriorates the mechanical properties. In response to this, manganese combines with oxygen to form slag or fumes, which are then discharged outside the weld metal, thereby reducing the amount of oxygen in the weld metal. Therefore, in welding wires, the manganese concentration is often higher than that of the base metal in order to ensure the tensile strength of the weld metal while taking into account the consumption of manganese as a deoxidizing agent.
The greater the welding current or welding heat input, the greater the amount of manganese emitted as slag or fumes. This is because the molten metal is held at high temperatures for a long period of time, making it more susceptible to oxidation. Therefore, in high-current welding, the manganese concentration in the weld metal is likely to decrease, and the tensile strength is likely to decrease accordingly. In addition, in recent years, it has been pointed out that manganese in slag or fumes may cause health damage, and regulations have been strengthened, so that manganese emissions in slag or fumes are also undesirable from this perspective.
Based on the above, it is necessary to suppress the emission of manganese outside the weld metal from two perspectives: to prevent a decrease in the tensile strength of the weld metal and to reduce the risk of health damage.
本開示の目的は、溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制することができる埋もれアーク溶接方法を提供することになる。 The objective of this disclosure is to provide a buried arc welding method that can suppress the emission of manganese outside the weld metal.
本開示に係る埋もれアーク溶接方法は、マンガンを含有する溶接ワイヤを用いた消耗電極式の埋もれアーク溶接方法であって、アークによって母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて、前記母材を溶接する。 The buried arc welding method disclosed herein is a consumable electrode buried arc welding method using a welding wire containing manganese, in which the tip of the welding wire is inserted into a space surrounded by a concave molten portion formed in the base metal by the arc, thereby welding the base metal.
本開示によれば、溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制することができる。 According to the present disclosure, it is possible to suppress the emission of manganese outside the weld metal.
本開示の実施形態に係る埋もれアーク溶接方法を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。 A buried arc welding method according to an embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to these examples, but is intended to include all modifications within the scope of the claims and meaning equivalent to the claims. In addition, at least some of the embodiments described below may be combined in any combination.
以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。本実施形態に係る溶接方法は、埋もれアーク溶接を用いて溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制するものである。 The present invention will be described in detail below with reference to the drawings showing an embodiment of the present invention. The welding method according to this embodiment uses buried arc welding to suppress the emission of manganese outside the weld metal.
<アーク溶接装置>
図1は、本実施形態に係る消耗電極式のアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施形態に係るアーク溶接装置は、GMA(Gas Metal Arc)を行う溶接機であり、溶接電源1、トーチ2及びワイヤ送給装置3を備える。
<Arc welding equipment>
1 is a schematic diagram showing one configuration of a consumable electrode type arc welding device according to the present embodiment. The arc welding device according to the present embodiment is a welding machine that performs GMA (Gas Metal Arc), and includes a welding power source 1, a
トーチ2は、銅合金等の導電性材料からなり、母材4の被溶接部へ溶接ワイヤ5を案内するとともに、アークの発生に必要な溶接電流Iwを供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤ5に接触し、溶接電流Iwを溶接ワイヤ5に供給する。また、トーチ2は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、被溶接部へシールドガスを噴射するノズルを有する。シールドガスは、例えば炭酸ガス、炭酸ガス及びアルゴンガスの混合ガス、アルゴン等の不活性ガス等である。
The
溶接対象である母材4は、鉄鋼材料、例えば建築構造用の鉄鋼材料であり、引張強さを向上させるための元素として、マンガンを含有している。
The
溶接ワイヤ5は、例えばソリッドワイヤであり、マンガンを含有する。溶接ワイヤ5のマンガン含有率は、母材4のマンガン含有量よりも低く、1.4重量%未満である。溶接ワイヤ5の直径は0.9mm以上1.6mm以下であり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤ5は、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。
The
ワイヤ送給装置3は、溶接ワイヤ5をトーチ2へ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給装置3は、送給ローラを回転させることによって、ワイヤリールから溶接ワイヤ5を引き出し、引き出された溶接ワイヤ5をトーチ2へ供給する。なお、かかる溶接ワイヤ5の送給方式は一例であり、特に限定されるものでは無い。
The wire feeder 3 has a feed roller that feeds the
溶接電源1は、給電ケーブルを介して、トーチ2のコンタクトチップ及び母材4に接続され、溶接電流Iwを供給する電源部11と、溶接ワイヤ5の送給速度を制御する送給速度制御部12とを備える。なお、電源部11及び送給速度制御部12を別体で構成しても良い。電源部11は、PWM制御された直流電流を出力する電源回路11a、制御回路11b、電圧検出部11c、電流検出部11dを備える。
The welding power source 1 is connected to the contact tip of the
電圧検出部11cは、溶接電圧Vwを検出し、検出した電圧値を示す電圧値信号Vdを制御回路11bへ出力するセンサである。
The
電流検出部11dは、例えば、溶接電源1からトーチ2を介して溶接ワイヤ5へ供給され、アークを流れる溶接電流Iwを検出し、検出した電流値を示す電流値信号Idを制御回路11bへ出力するセンサである。
The
電源回路11aは、商用交流を交直変換するAC-DCコンバータ、交直変換された直流をスイッチングにより所要の交流に変換するインバータ回路、変換された交流を整流する整流回路等を備える。制御回路11bは、設定された溶接条件、検出された溶接電流Iw及び溶接電圧Vwに基づいて、電源回路11aのインバータ回路をPWM制御する。母材4及び溶接ワイヤ5間には、所用の溶接電圧Vwが印加され、溶接電流Iwが通電する。
The power supply circuit 11a includes an AC-DC converter that converts commercial AC to DC, an inverter circuit that converts the converted DC to the required AC by switching, and a rectifier circuit that rectifies the converted AC. The
トーチ2側に設けられた手元操作スイッチが操作された場合、トーチ2は溶接電源1へ出力指示信号を出力する。出力指示信号は、図示しない制御通信線を介して溶接電源1に入力され、制御回路11bは、当該出力指示信号をトリガにして、電源回路11aに溶接電圧Vw及び溶接電流Iwの出力を開始させる。
When a hand-operated switch provided on the
<溶接方法と溶接条件>
接金属外部へのマンガンの排出を抑制するための溶接方法として、本実施形態においては、埋もれアーク溶接を用いる。以下、接金属外部へのマンガンの排出を抑制する埋もれアーク溶接及び溶接条件について説明する。
<Welding method and conditions>
In the present embodiment, buried arc welding is used as a welding method for suppressing the emission of manganese to the outside of the contact metals. Hereinafter, buried arc welding for suppressing the emission of manganese to the outside of the contact metals and welding conditions will be described.
図2は、埋もれアークの溶接条件を示す模式図である。溶接ワイヤ5に大電流を供給すると、図2に示すように、母材4に凹状の溶融部分4aが形成され、溶接ワイヤ5の先端部が溶融部分4aによって囲まれた空間に進入する。以下、凹状の溶融部分4aによって囲まれる空間を埋もれ空間と呼び、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤ5と、母材4又は溶融部分4aとの間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。
Figure 2 is a schematic diagram showing the welding conditions for buried arc. When a large current is supplied to the
埋もれアーク溶接では、一般的な直流溶接と比較して、マンガンのヒュームの発生量が小さくなる。これは、図2に示すように、埋もれアーク溶接においては、高温の溶滴及びアークの周囲の大部分が、溶融金属(凹状の溶融部分4a)によって覆われるためである。
In buried arc welding, the amount of manganese fumes generated is smaller than in conventional DC welding. This is because, as shown in Figure 2, in buried arc welding, most of the area around the high-temperature droplet and the arc is covered by molten metal (concave
溶滴移行形態は、ドロップ移行を含むグロビュール移行、又は、振り子様の移行若しくはローテーティング移行を含むスプレー移行、又はそれらの複合した溶滴移行形態である。埋もれアーク溶接の溶接条件を満たせば、上記のような溶滴移行形態となる。
これらの以外の溶滴移行形態、例えば短絡移行においては、短絡後にアークが再点弧する際にヒュームが発生しやすく、かつその頻度が高いため、ヒューム量が多く、ヒュームへのマンガン排出量が多くなる。
The droplet transfer mode is a globule transfer including a drop transfer, a spray transfer including a pendulum-like transfer or a rotating transfer, or a combination of these. If the welding conditions of the buried arc welding are satisfied, the droplet transfer mode is as described above.
In droplet transfer modes other than these, such as short circuit transfer, fumes are likely to be generated when the arc is re-ignited after a short circuit, and this occurs frequently, resulting in a large amount of fume and a large amount of manganese emission into the fumes.
図2に示すグラフの横軸は溶接電流Iw、縦軸は溶接電圧Vwを示している。埋もれアーク溶接を実現する溶接条件は、溶接電流Iwの平均電流が300A以上、好ましくは300A以上650A以下である。溶接電流Iwが300A未満になると、アーク圧力が弱くなり、溶融金属を押し下げることができず、埋もれアーク溶接を維持することができなくなる。溶接電流Iwが650Aを超えると、入熱量の増大によってスラグ及びヒュームの発生量が多くなるため、埋もれアーク溶接であっても、スラグ又はヒューム中へのマンガンの排出を抑制する効果が小さくなる。 The horizontal axis of the graph shown in Figure 2 indicates the welding current Iw, and the vertical axis indicates the welding voltage Vw. The welding conditions for achieving buried arc welding are an average current of the welding current Iw of 300 A or more, preferably 300 A or more and 650 A or less. If the welding current Iw is less than 300 A, the arc pressure becomes weak and the molten metal cannot be pushed down, making it impossible to maintain buried arc welding. If the welding current Iw exceeds 650 A, the amount of slag and fumes generated increases due to the increased heat input, and therefore even with buried arc welding, the effect of suppressing the emission of manganese into the slag or fumes becomes smaller.
より好ましくは、溶接電流Iwは300A以上であり、かつ電流振幅制御又は電流波形制御の適用が望ましい。300A以上の埋もれアーク溶接に、電流振幅制御又は電流波形制御を適用すると、外乱等の影響により意図せず生じる不規則な短絡が低減され、アーク再点弧時のヒューム発生を抑制できる。具体的には、平均溶接電流が300A以上、周波数が10Hz以上1000Hz以下、電流振幅が50A以上の条件で溶接電流Iwを周期的に変動させるとよい。なお、上記周波数は、好ましくは50Hz以上300Hz以下、より好ましくは80Hz以上200Hz以下である。また、上記電流振幅は、好ましくは、100A以上500A以下、より好ましくは200A以上400A以下である。 More preferably, the welding current Iw is 300 A or more, and current amplitude control or current waveform control is preferably applied. When current amplitude control or current waveform control is applied to buried arc welding of 300 A or more, irregular short circuits that occur unintentionally due to disturbances and the like are reduced, and fume generation during re-arcing can be suppressed. Specifically, the welding current Iw is periodically varied under the conditions of an average welding current of 300 A or more, a frequency of 10 Hz to 1000 Hz, and a current amplitude of 50 A or more. The frequency is preferably 50 Hz to 300 Hz, more preferably 80 Hz to 200 Hz. The current amplitude is preferably 100 A to 500 A, more preferably 200 A to 400 A.
溶接電圧Vw(アーク電圧)は、溶接条件等によって変化する上限電圧が存在する。上限電圧は、埋もれアークを維持できる上限の電圧であり、その電圧を超えると、埋もれアーク溶接でなく、通常の直流溶接となる臨界電圧である。上限電圧は、溶接電流Iwの増加関数であり、溶接電流Iwが大きくなる程、高くなる。この上限電圧よりも約4V低い電圧が下限電圧である。下限電圧より低い電圧では、溶接ワイヤ5の先端位置の下降に伴い、溶接ワイヤ5と溶融池との短絡が頻発し、アーク再点弧時のヒューム発生量が増加するとともに、溶接安定性も低下する。
The welding voltage Vw (arc voltage) has an upper limit voltage that varies depending on the welding conditions, etc. The upper limit voltage is the maximum voltage at which a buried arc can be maintained, and is the critical voltage above which buried arc welding does not occur but normal DC welding occurs. The upper limit voltage is an increasing function of the welding current Iw, and the higher the welding current Iw, the higher it becomes. The lower limit voltage is a voltage approximately 4V lower than this upper limit voltage. At a voltage lower than the lower limit voltage, as the tip position of the
なお、上限電圧及び下限電圧は、溶接ワイヤ5の種類、ワイヤ径、溶接電流Iw、ワイヤ突出し長さ、開先形状、溶接速度、溶接電源二次側の負荷状態等の様々な影響を受けて変化するが、溶接電流Iwと溶接電圧Vwの関係は概ね図2に示した通りである。
The upper and lower limit voltages vary depending on various factors such as the type of
溶接入熱は、25kJ/cm以上、65kJ/cm以下である。溶接入熱がこの範囲内になるように、溶接電流Iw又は溶接速度等を調整する。溶接入熱が25kJ/cmを下回ると、入熱が小さいために、通常の直流溶接でもマンガンの排出が少なく、問題にならない。溶接入熱が65kJ/cmを上回ると、上述の通り、入熱量の増大によってスラグ及びヒュームの発生量が多くなるため、埋もれアーク溶接であっても、スラグ又はヒューム中へのマンガンの排出を抑制する効果が小さくなる。また、溶接入熱の上限は、より好ましくは、40kJ/cmである。これはGMA溶接における一般的な入熱制限指標のひとつであり、溶接金属や熱影響部を含めた溶接継手のじん性を十分確保する観点から、溶接入熱を40kJ/cm以下にすることがより望ましい。 The welding heat input is 25 kJ/cm or more and 65 kJ/cm or less. The welding current Iw or welding speed is adjusted so that the welding heat input is within this range. If the welding heat input is below 25 kJ/cm, the heat input is small, so even with normal DC welding, the manganese emission is small and does not pose a problem. If the welding heat input exceeds 65 kJ/cm, as described above, the amount of slag and fumes generated increases due to the increase in heat input, so even with buried arc welding, the effect of suppressing the emission of manganese into the slag or fumes is reduced. In addition, the upper limit of the welding heat input is more preferably 40 kJ/cm. This is one of the general heat input limiting indexes in GMA welding, and it is more desirable to keep the welding heat input at 40 kJ/cm or less from the viewpoint of ensuring sufficient toughness of the welded joint, including the weld metal and the heat-affected zone.
以上の溶接条件を満たす埋もれアーク溶接によれば、スラグ又はヒュームへのマンガン排出を低減することができる。溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制する埋もれアーク溶接方法は、新しい知見である。 By using buried arc welding that satisfies the above welding conditions, it is possible to reduce manganese emissions into the slag or fumes. The buried arc welding method, which suppresses manganese emissions outside the weld metal, is a new discovery.
(比較実施例)
溶接ワイヤ5としてワイヤ径1.4mmのソリッドワイヤ(YGW18)を用い、シールドガスとして炭酸ガスを用いて、溶接入熱は38kJ/cmの条件で、一般的な直流溶接(非埋もれアーク溶接)と埋もれアーク溶接でそれぞれ溶接を行う。溶接電流Iwは、一般的な直流溶接の場合は400Aであり、埋もれアーク溶接の場合は430Aである。アーク電圧は、一般的な直流溶接の場合は41Vであり、埋もれアーク溶接の場合は38Vである。溶接速度は、26cm/分とする。埋もれアーク溶接には、安定化のために、上記の電流振幅制御又は電流波形制御を適用する。母材4はSN490Bとし、板厚25mm、開先角度35°の突合せ溶接継手を溶接する。裏当ては板厚9mmのSN490Bとする。
Comparative Example
A solid wire (YGW18) with a wire diameter of 1.4 mm is used as the
図3は、本実施形態に係る埋もれアーク溶接と、一般的な直流溶接とを比較した、溶接金属中のマンガン濃度を示す棒グラフである。一般的な直流溶接(非埋もれアーク溶接)では溶接金属中のマンガン濃度が約1.1%であるのに対して、本実施形態の埋もれアーク溶接では溶接金属中のマンガン濃度が約1.3%と大きい。つまり、本実施形態の埋もれアーク溶接においては、スラグ又はヒュームからのマンガンの排出が抑制されている。なお、0.1%オーダのマンガン濃度の差異は非常に大きなものである。 Figure 3 is a bar graph showing the manganese concentration in the weld metal, comparing buried arc welding according to this embodiment with general DC welding. In general DC welding (non-buried arc welding), the manganese concentration in the weld metal is about 1.1%, whereas in buried arc welding according to this embodiment, the manganese concentration in the weld metal is high at about 1.3%. In other words, in buried arc welding according to this embodiment, manganese emissions from slag or fumes are suppressed. Note that a difference in manganese concentration of the order of 0.1% is very large.
図4は、本実施形態に係る埋もれアーク溶接と、一般的な直流溶接とを比較した、溶接金属の引張強さを示す棒グラフである。一般的な直流溶接(非埋もれアーク溶接)では引張強さが約525Mpa程度であるのに対して、本実施形態の埋もれアーク溶接では引張強さが約600Mpa弱と大きい。これは、溶接金属中のマンガン濃度が大きいためである。 Figure 4 is a bar graph showing the tensile strength of the weld metal, comparing buried arc welding according to this embodiment with general DC welding. The tensile strength of general DC welding (non-buried arc welding) is about 525 MPa, whereas the tensile strength of buried arc welding according to this embodiment is high at just under 600 MPa. This is because the manganese concentration in the weld metal is high.
以上の通り、本実施形態に係る埋もれアーク溶接方法によれば、溶接金属外部へのマンガンの排出を抑制することができる。言い換えると、溶接金属中のマンガンの歩留まりを向上させることができる。これにより、溶接金属の引張強さの低下を抑制することができる。また同時に、スラグ及びヒューム中へのマンガンの排出が抑制され、溶接作業者の健康被害リスクを低減することができる。 As described above, the buried arc welding method according to this embodiment can suppress the emission of manganese to the outside of the weld metal. In other words, the yield of manganese in the weld metal can be improved. This can suppress the decrease in the tensile strength of the weld metal. At the same time, the emission of manganese into the slag and fumes can be suppressed, reducing the risk of health damage to the welding worker.
また、鉄鋼材料の母材4を溶接する際に使用する溶接ワイヤ5のマンガン濃度を母材4のマンガン濃度より低く抑えることができる。少なくとも溶接ワイヤ5のマンガン濃度を1.4重量%未満に抑えることができる。
マンガンの規制強化を受けて、今後は低マンガンワイヤの開発及び市場流通がいっそう活性化すると予想される。低マンガンワイヤでは溶接金属の引張強さが低下しやすいおそれがあるが、埋もれアーク溶接を組み合わせることで、引張強さの低下を抑制できる。
In addition, the manganese concentration of the
In response to the strengthening of manganese regulations, it is expected that the development and market distribution of low manganese wire will become even more active in the future. Although there is a risk that the tensile strength of the weld metal of low manganese wire may decrease, the decrease in tensile strength can be suppressed by combining it with buried arc welding.
1:溶接電源、2:トーチ、3:ワイヤ送給装置、4:母材、5:溶接ワイヤ、11:電源部、11a:電源回路、11b:制御回路、11c:電圧検出部、11d:電流検出部、12:送給速度制御部 1: Welding power source, 2: Torch, 3: Wire feeder, 4: Base material, 5: Welding wire, 11: Power source, 11a: Power circuit, 11b: Control circuit, 11c: Voltage detector, 11d: Current detector, 12: Feed speed controller
Claims (4)
アークによって母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて、前記母材を溶接する
埋もれアーク溶接方法。 A consumable electrode type buried arc welding method using a welding wire containing manganese, comprising:
A buried arc welding method in which a tip of the welding wire is inserted into a space surrounded by a concave molten portion formed in a base material by an arc, thereby welding the base material.
請求項1に記載の埋もれアーク溶接方法。 The method of claim 1 , wherein the manganese content of the welding wire is lower than the manganese content of the base metal.
請求項2に記載の埋もれアーク溶接方法。 The method of claim 2 , wherein the manganese content of the welding wire is less than 1.4% by weight.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の埋もれアーク溶接方法。 The buried arc welding method according to any one of claims 1 to 3, wherein an average welding current of 300 A or more and 650 A or less is supplied to the welding wire, and the base material is welded with a welding heat input of 25 kJ/cm or more and 65 kJ/cm or less.
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