JP2024103144A - 異種材料同士の接合方法、及び異種材料接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑えつつ異種材料を強固に接合した信頼性の高い異種材料接合体を得ることができる異種材料同士の接合方法、及び異種材料接合体を提供する。【解決手段】高融点材１１と、高融点材１１より融点の低い低融点材１３とを重ね合わせてスポット溶接する異種材料同士の接合方法であって、高融点材１１の低融点材１３との重ね合わせ面１１ａにおける溶接予定位置に環状の溝部３１Ａ，３１Ｂを形成する工程と、高融点材１１と低融点材１３とを重ね合わせ、溶接予定位置をスポット溶接する工程と、を含む。【選択図】図５

Description

本発明は、異種材料同士の接合方法、及び異種材料接合体に関する。

従来より、車両における乗員の安全性向上が求められており、係る目的のために車体の強度を向上させてきた。他方、地球温暖化問題等の深刻化を背景に、自動車の燃費改善の動きが加速している。燃費改善には車体の軽量化が有効であることが知られている。

そこで、近年においては車体の軽量化を図るため、例えば、軽量なアルミニウム材を鉄材と接合した接合体が用いられている。このような異種材料を接合させる技術として、特許文献１には、鉄とアルミニウム合金とを溶接するための異種材料の抵抗溶接方法であって、アルミニウム合金の少なくとも抵抗溶接を行う部分に、予め、鉄又は鉄基合金による被覆処理を行って表層を形成し、この表層を介して鉄とアルミニウム合金との抵抗溶接を行う技術が開示されている。

また、特許文献２には、互いに異なる金属材料同士を重ね合わせた被接合材の間に第３の材料を介在させ、被接合材の少なくとも一方の材料と第３の材料との間で共晶溶融を生じさせて抵抗スポット溶接し、金属間化合物の生成を抑制することが開示されている。

さらに、特許文献３には、アルミニウム又はアルミニウム合金と他種の金属とを高温度で結合させるに当たり、両者の間に銅含有量５～３３％のアルミニウム合金からなる中間層を介在させ、金属間化合物の組成を制御することが開示されている。

特開２００５－２８８５２４号公報 特開２００７－３０１６０６号公報 特開昭６４－１８５５９号公報

ところで、特許文献１～３の技術のように、皮膜処理を施したり、介在物を介在させたりすることは、前処理工程や介在物を要するため、製造コストが増加する。また、介在物を介在させずに異種材料を抵抗溶接で接合する場合、強度を担保する金属間化合物層は、厚くなりすぎても脆くなるが、薄すぎて不連続になっても十分な接合強度が得られない。したがって金属間化合物層を広く薄く形成することが要求されている。

そこで本発明は、製造コストを抑えつつ異種材料同士を強固に接合した信頼性の高い異種材料接合体を得ることができる異種材料同士の接合方法、及び異種材料接合体を提供することを目的とする。

本発明は下記の構成からなる。
（１） 高融点材と、前記高融点材より融点の低い低融点材とを重ね合わせてスポット溶接する、異種材料同士の接合方法であって、
前記高融点材の前記低融点材との重ね合わせ面における溶接予定位置に、少なくとも１つの環状の溝部を形成する工程と、
前記高融点材と前記低融点材とを重ね合わせ、前記溶接予定位置をスポット溶接する工程と、
を含む異種材料同士の接合方法。
（２） 高融点材と、前記高融点材より融点の低い低融点材とが重ね合わされてスポット溶接された異種材料接合体であって、
前記高融点材の前記低融点材との溶接個所における前記低融点材側に、少なくとも１つの環状の溝部が形成され、
前記溝部に、前記低融点材が溶融して硬化したナゲットが食い込み、前記高融点材における前記重ね合わせ面に沿って金属間化合物が形成されている、
異種材料接合体。

本発明によれば、製造コストを抑えつつ異種材料同士を強固に接合した信頼性の高い異種材料接合体を得ることができる。

図１は、異種材料同士の接合方法を説明する接合箇所の概略側面図である。 図２Ａは、溝部を形成した高融点材の断面図である。 図２Ｂは、溝部を形成した高融点材の重ね合わせ面の平面図である。 図３は、溝部形成工程を説明するためのダイスと高融点材との断面図である。 図４は、高融点材と低融点材とのスポット溶接工程を説明する断面図である。 図５は、高融点材と低融点材とのスポット溶接工程を説明する断面図である。 図６は、図５におけるＡ部拡大図である。 図７は、せん断引張強さの測定について説明する供試材の平面図である。 図８は、せん断引張強さの測定結果を示すグラフである。 図９は、実施例１における異種材料接合体の断面画像である。 図１０は、図９におけるＢ部を拡大した断面画像である。 図１１は、図１０におけるＣ部を拡大した断面画像である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、異種材料同士の接合方法を説明する接合箇所の概略側面図である。本構成例に係る異種材料同士の接合方法は、高融点材１１と、低融点材１３とをスポット溶接して接合させる接合方法である。これらの高融点材１１及び低融点材１３は、それぞれ金属板であり、これらの高融点材１１と低融点材１３とを、重ね合わせ面１１ａ，１３ａが接するように互いに重ね合わせて接合する。

高融点材１１は、例えば、銅又は鉄などの金属材料である。低融点材１３は、高融点材１１よりも融点が低い金属材料であり、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金などである。

スポット溶接機２１は、一対の電極２３，２５を有している。一対の電極２３，２５は、例えば、曲面からなる端面を有するＲ形又はＤＲ形の電極である。例えば、一方の電極２３は、正極の電極であり、他方の電極２５は、負極の電極である。高融点材１１及び低融点材１３は、これらの電極２３，２５の間に重ね合わされた状態で挟み込まれる。

スポット溶接機２１は、互いに重ね合わされた高融点材１１及び低融点材１３を、電極２３，２５によって板厚方向に加圧し、この加圧状態で電極２３，２５間に通電する。すると、電極２３，２５に挟まれた高融点材１１及び低融点材１３がスポット溶接されて互いに接合される。これにより、これらの高融点材１１及び低融点材１３が互いにスポット溶接された異種材料接合体１５が得られる。なお、上記例はダイレクトスポット溶接であるが、これに限らず、インダイレクトスポット溶接であってもよい。

次に、本構成例に係る異種材料同士の接合方法に基づく溶接手順を工程毎に説明する。
図２Ａは、溝部３１Ａ，３１Ｂを形成した高融点材１１の断面図である。図２Ｂは、溝部３１Ａ，３１Ｂを形成した高融点材１１の重ね合わせ面１１ａの平面図である。

（溝部形成工程）
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、高融点材１１には、溝部３１Ａ，３１Ｂが形成される。溝部３１Ａ，３１Ｂは、高融点材１１の低融点材１３との重ね合わせ面１１ａにおける溶接予定位置で、溶接予定位置の中心点Ｏを中心とした環状に、それぞれ同心円状に形成する。

溝部３１Ａ，３１Ｂは、断面視において、内周側の側壁３３ａと、外周側の側壁３３ｂと、底壁３３ｃとを有している。溝部３１Ａ，３１Ｂは、内周側の側壁３３ａへ向かって外周側の側壁３３ｂが次第に近接するように傾斜されている。これらの溝部３１Ａ，３１Ｂの深さＤは、高融点材１１の厚さｔの２０％以上、６０％以下が好ましい。深さＤが厚さｔの２０％以上であることで、後述するかしめ効果が得られやすくなり、６０％以下であることで、高融点材１１の板厚を大きく減肉させることがない。

また、これらの溝部３１Ａ，３１Ｂにおける最外周の溝部３１Ａの外径からなる最外径φは、３．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下が好ましい。最外径φを３．０ｍｍ以上にすることで、溝部を設けた効果を顕著にでき、６．０ｍｍ以下にすることで、一般的なスポット溶接によるナゲット径（又は電極先端径）を溝部が超えない大きさにでき、スポット溶接時の加圧領域内に溝部３１Ａ，３１Ｂを配置できる。

さらに、溝部３１Ａと溝部３１Ｂとの互いのピッチＰは、高融点材１１の厚さｔの２０％以上、６０％以下が好ましい。これにより、スポット溶接により形成されるナゲットの領域内で効率よく適切な大きさの凹凸形状を形成できる。

なお、本例では２つの溝部３１Ａ，３１Ｂを形成する場合を例示しているが、１つの溝部のみ形成してもよい。また、溝部３１Ａ，３１Ｂのような二重溝に限らず、三重以上の溝部を設けてもよい。また、溝部の形状は円形に限らず、多角形状等の任意の環状形状であってもよい。さらに、溝部を同心の多重環状とする場合には、いずれかの溝の一部を切り欠いてもよい。つまり、ナゲットとなる溶湯金属が溝部の内側から飛散することを抑制できればよい。

図３は、溝部形成工程を説明するためのダイス４１と高融点材１１との断面図である。高融点材１１の溝部３１Ａ，３１Ｂは、ダイス４１を用いて形成する。このダイス４１は、凹凸形状を含む成形面４３を有している。成形面４３には、溝部３１Ａ，３１Ｂを成形するための２つの環状の突条４５Ａ，４５Ｂが形成されている。また、成形面４３における突条４５Ａ，４５Ｂ同士の間には、環状の逃げ溝４７が形成されている。逃げ溝４７は、突条４５Ａ，４５Ｂの成形面４３からの突出高さより深くてもよく、等しい高さでもよい。

高融点材１１に溝部３１Ａ，３１Ｂを形成するには、高融点材１１の重ね合わせ面１１ａにおける溶接予定位置にダイス４１の成形面４３を配置させた状態で、ダイス４１を高融点材１１に加圧させる。すると、高融点材１１には、その重ね合わせ面１１ａにおける溶接予定位置に、ダイス４１の突条４５Ａ，４５Ｂが食い込み、溝部３１Ａ，３１Ｂが形成される。

（スポット溶接工程）
図４及び図５は、高融点材１１と低融点材１３とのスポット溶接工程を説明する断面図である。図４に示すように、スポット溶接機２１の電極２３，２５の間に、高融点材１１と低融点材１３とを重ね合わせ面１１ａ，１３ａが接するように互いに重ね合わせた状態で配置させる。この状態において、互いに重ね合わせた高融点材１１及び低融点材１３を、電極２３，２５によって板厚方向に加圧し、加圧状態で電極２３，２５間に通電する。

すると、図５に示すように、電極２３，２５間において、低融点材１３の重ね合わせ面１３ａ側が溶融し、その溶融アルミニウムからなる溶融物Ｍが高融点材１１の重ね合わせ面１１ａに形成された溝部３１Ａ，３１Ｂに入り込む。そして、設定した通電時間の通電が行われると、溶融物Ｍが硬化し、溝部３１Ａ，３１Ｂに食い込んだナゲットＮが形成される。これにより、高融点材１１と低融点材１３とが互いに接合されて一体化された異種材料接合体１５が得られる。そして、通電終了後に電極２３，２５を離間させ、異種材料接合体１５をスポット溶接機２１から取り出す。

図６は、図５におけるＡ部拡大図である。上記のように得られた異種材料接合体１５には、ナゲットＮと高融点材１１の表面との間に、高融点材１１と低融点材１３との金属間化合物Ｃｏが均一な厚さで形成される。高融点材１１が銅からなり、低融点材１３がアルミニウムからなる場合、ナゲットＮと高融点材１１の表面との間には、高融点材１１の重ね合わせ面１１ａに沿って、銅とアルミニウムとの金属間化合物Ｃｏが薄く均一な厚みで形成される。なお、高融点材１１が鉄からなり、低融点材１３がアルミニウムからなる場合、ナゲットＮと高融点材１１の表面との間には、高融点材１１の重ね合わせ面１１ａに沿って、鉄とアルミニウムとの金属間化合物Ｃｏが薄く均一な厚みで形成される。

以上、説明したように、本構成例においては、高融点材１１の低融点材１３との重ね合わせ面１１ａにおける溶接予定位置に環状の溝部３１Ａ，３１Ｂを形成し、高融点材１１と低融点材１３とを重ね合わせて溶接予定位置をスポット溶接する。これにより、低融点材１３の溶融物Ｍが硬化したナゲットＮが、高融点材１１に形成した溝部３１Ａ，３１Ｂに噛み込み、かしめ効果が得られる。また、高融点材１１における重ね合わせ面１１ａに沿って均一な厚さで金属間化合物Ｃｏを形成でき、接合面積を増加できる。したがって、被膜処理を施したり、介在物を介在させたりすることなく、高融点材１１と低融点材１３との接合強度を高められる。つまり、工程を煩雑化することなく製造コストを抑えて、短時間に異種材料を強固に接合できる。これにより、信頼性の高い異種材料接合体１５が生産性よく得られる。

しかも、本構成例では、溝部３１Ａの外径からなる最外径φを、３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とする。また、溝部３１Ａ，３１Ｂの深さＤを、高融点材１１の厚さｔの２０％以上、６０％以下とする。また、同心円状に形成した複数の溝部３１Ａ，３１Ｂ同士のピッチＰを、高融点材１１の厚さｔの２０％以上、６０％以下とする。これにより、ナゲットＮと高融点材１１とのかしめ効果を高め、しかも双方の接合面積を増加させて、高融点材１１と低融点材１３とをより高強度に接合できる。

図７は、せん断引張強さの測定について説明する供試材Ｔ１，Ｔ２の平面図である。金属板からなる供試材Ｔ１，Ｔ２の一部を互いに重ね合わせ、図７のＳｐ部に示す位置でスポット溶接して異種材料接合体を得た。この異種材料接合体に対して供試材Ｔ１，Ｔ２を面方向に牽引し、せん断引張り強さを測定した。供試材Ｔ１，Ｔ２は、長さＬ＝９０ｍｍ、幅Ｗ＝３０ｍｍとし、これらの供試材Ｔ１，Ｔ２を長手方向に重ね合わせ寸法ＯＬ＝３０ｍｍで重ね合わせ、この重ね合わせ部分をスポット溶接した。

スポット溶接には、直流インバータ式抵抗スポット溶接機を用い、正極の電極側に供試材Ｔ１を配置させ、負極の電極側に供試材Ｔ２を配置させて接合した（図１参照）。溶接条件は、加圧力３ｋＮ、溶接電流２８ｋＡ、溶接時間８０ｍｓとした。

＜供試材＞
（比較例１）
Ｔ１：板厚１．０ｍｍのアルミニウム（Ａ１０５０：ＪＩＳ Ｈ ４０００）の板材
Ｔ２：板厚１．０ｍｍのアルミニウム（Ａ１０５０）の板材
（比較例２）
Ｔ１：板厚１．０ｍｍの銅（Ｃ１０２０：ＪＩＳ Ｈ ３１００）の板材
Ｔ２：板厚１．０ｍｍのアルミニウム（Ａ１０５０）の板材
（実施例１）
Ｔ１：板厚１．０ｍｍの銅（Ｃ１０２０）の板材
Ｔ２：板厚１．０ｍｍのアルミニウム（Ａ１０５０）の板材

＜異種材料接合体＞
（比較例１，２）
供試材Ｔ１，Ｔ２に加工を施すことなく、スポット溶接して異種材料接合体を得た。
（実施例１）
供試材Ｔ１の溶接予定位置における供試材Ｔ２との重ね合わせ面に２つの環状の溝部３１Ａ，３１Ｂ（図２Ａ及び図２Ｂ参照）を同心円状に形成してスポット溶接して異種材料接合体を得た。溝部３１Ａ，３１Ｂは、供試材Ｔ１に対してダイス４１（図３参照）を８ｋＮ程度の加圧力でプレスして形成した。溝部３１Ａ，３１Ｂの深さは０．５ｍｍとし、互いの溝部３１Ａ，３１Ｂのピッチは０．５ｍｍとした。

＜試験結果＞
図８は、せん断引張強さの測定結果を示すグラフである。測定は同条件で複数回実施し、グラフにはその信頼区間も示している。いずれの供試材Ｔ１，Ｔ２もアルミニウムの板材からなる比較例１では、せん断引張強さが１００３Ｎであった。また、供試材Ｔ１が銅、供試材Ｔ２がアルミニウムの板材からなる比較例２では、せん断引張強さが９８４Ｎであった。

これに対して、供試材Ｔ１が銅、供試材Ｔ２がアルミニウムの板材からなり、高融点材である供試材Ｔ１に溝部３１Ａ，３１Ｂを形成した実施例１では、せん断引張強さが１１４５Ｎであった。このように、実施例１の異種材料接合体の場合、溝部３１Ａ，３１Ｂを形成せずにアルミニウムの板材同士又は銅及びアルミニウムの板材同士をスポット溶接した比較例１，２の異種材料接合体と比較して、せん断引張強さが向上（約１６％向上）した。

図９は、実施例１における異種材料接合体の断面画像である。図１０は、図９におけるＢ部を拡大した断面画像である。図１１は、図１０におけるＣ部を拡大した断面画像である。図９に示すように、実施例１で得られた異種材料接合体では、供試材Ｔ２の溶融物が硬化して形成されたナゲットＮが溝部３１Ａ，３１Ｂに入り込んでいた。さらに、図１０及び図１１に示すように、ナゲットＮと高融点材である供試材Ｔ１の表面との間には、銅とアルミニウムとの金属間化合物Ｃｏが均一な厚みで形成されていた。

このように、実施例１の異種材料接合体の場合、銅の板材（高融点材）からなる供試材Ｔ１の溝部３１Ａ，３１Ｂにアルミニウムの板材（低融点材）からなる供試材Ｔ２の溶融物が硬化してナゲットＮとなって噛み込んで、かしめ効果が付与されたと考えられる。また、銅の板材（高融点材）からなる供試材Ｔ１における重ね合わせ面に沿って均一な厚さで金属間化合物Ｃｏが形成されたことで接合面積が増加したことにより、せん断引張強さが向上したと推測される。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 高融点材と、前記高融点材より融点の低い低融点材とを重ね合わせてスポット溶接する、異種材料同士の接合方法であって、
前記高融点材の前記低融点材との重ね合わせ面における溶接予定位置に、少なくとも１つの環状の溝部を形成する工程と、
前記高融点材と前記低融点材とを重ね合わせ、前記溶接予定位置をスポット溶接する工程と、
を含む異種材料同士の接合方法。
この異種材料同士の接合方法によれば、低融点材の溶融物が硬化したナゲットを高融点材に形成した溝部へ噛み込ませてかしめ効果を得ることができる。また、高融点材における重ね合わせ面に沿って均一な厚さで金属間化合物を形成でき、接合面積を増加できる。したがって、被膜処理を施したり、介在物を介在させたりすることなく、高融点材と低融点材とを高強度に接合できる。つまり、製造コストを抑えつつ短時間に異種材料を強固に接合して、信頼性の高い異種材料接合体が得られる。

（２） 前記溝部の最外径を、３．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下とする、（１）に記載の異種材料同士の接合方法。
この異種材料同士の接合方法によれば、溝部を設けた効果が顕著となり、一般的なスポット溶接によるナゲット径（又は電極先端径）を超えない大きさにでき、スポット溶接時の加圧領域内に溝部を配置できる。

（３） 前記溝部の深さを、前記高融点材の厚さの２０％以上、６０％以下とする、（１）又は（２）に記載の異種材料同士の接合方法。
この異種材料同士の接合方法によれば、高融点材とナゲットとのかしめ効果が得られやすくなり、しかも、高融点材の板厚を大きく減肉させることがない。

（４） 複数の前記溝部を同心円状に形成し、それぞれの前記溝部同士のピッチを、前記高融点材の厚さの２０％以上、６０％以下とする、（１）から（３）のいずれか１つに記載の異種材料同士の接合方法。
この異種材料同士の接合方法によれば、スポット溶接により形成されるナゲットの領域内で効率よく凹凸形状を形成できる。

（５） 高融点材と、前記高融点材より融点の低い低融点材とが重ね合わされてスポット溶接された異種材料接合体であって、
前記高融点材の前記低融点材との溶接個所における前記低融点材側に、少なくとも１つの環状の溝部が形成され、
前記溝部に、前記低融点材が溶融して硬化したナゲットが食い込み、前記高融点材における前記重ね合わせ面に沿って金属間化合物が形成されている、異種材料接合体。
この異種材料接合体によれば、低融点材の溶融物が硬化したナゲットが高融点材に形成された溝部へ食い込んで、かしめ効果を得ることができる。また、高融点材における重ね合わせ面に沿って金属間化合物が形成されて接合面積が増加する。したがって、被膜処理を施したり、介在物を介在させたりした異種材料接合体と比較して、製造コストを抑えつつ高い接合強度で高融点材と低融点材とを接合できる。

（６） 前記溝部の最外径が、３．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下である、（５）に記載の異種材料接合体。
この異種材料接合体によれば、高融点材に形成された最外径が３．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下の溝部に、低融点材の溶融物が硬化したナゲットが食い込んでいる。これにより、溝部を設けた効果が顕著となり、一般的なスポット溶接によるナゲット径（又は電極先端径）を超えない大きさにでき、スポット溶接時の加圧領域内に溝部を配置できる。

（７） 前記溝部の深さが、前記高融点材の厚さの２０％以上、６０％以下である、（５）又は（６）に記載の異種材料接合体。
この異種材料接合体によれば、高融点材とナゲットとのかしめ効果が得られやすくなり、しかも、高融点材の板厚を大きく減肉させることがない。

（８） 複数の前記溝部が同心円状に形成され、それぞれの前記溝部同士のピッチが、前記高融点材の厚さの２０％以上、６０％以下である、（５）から（７）のいずれか１つに記載の異種材料接合体。
この異種材料接合体によれば、スポット溶接により形成されるナゲットの領域内で、効率よく適正な大きさの凹凸形状が形成される。

１１ 高融点材
１１ａ 重ね合わせ面
１３ 低融点材
１３ａ 重ね合わせ面
１５ 異種材料接合体
２１ スポット溶接機
２３，２５ 電極
３１Ａ，３１Ｂ 溝部
３３ａ 側壁
３３ｂ 側壁
３３ｃ 底壁
４１ ダイス
４３ 成形面
４５Ａ，４５Ｂ 突条
４７ 溝
Ｃｏ 金属間化合物
Ｄ 深さ
Ｍ 溶融物
Ｎ ナゲット
Ｏ 中心点
Ｔ１ 供試材
Ｔ２ 供試材

Claims (8)

1. 高融点材と、前記高融点材より融点の低い低融点材とを重ね合わせてスポット溶接する、異種材料同士の接合方法であって、
   前記高融点材の前記低融点材との重ね合わせ面における溶接予定位置に、少なくとも１つの環状の溝部を形成する工程と、
   前記高融点材と前記低融点材とを重ね合わせ、前記溶接予定位置をスポット溶接する工程と、
   を含む異種材料同士の接合方法。
2. 前記溝部の最外径を、３．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下とする、
   請求項１に記載の異種材料同士の接合方法。
3. 前記溝部の深さを、前記高融点材の厚さの２０％以上、６０％以下とする、
   請求項１に記載の異種材料同士の接合方法。
4. 複数の前記溝部を同心円状に形成し、それぞれの前記溝部同士のピッチを、前記高融点材の厚さの２０％以上、６０％以下とする、
   請求項１に記載の異種材料同士の接合方法。
5. 高融点材と、前記高融点材より融点の低い低融点材とが重ね合わされてスポット溶接された異種材料接合体であって、
   前記高融点材の前記低融点材との溶接個所における前記低融点材側に、少なくとも１つの環状の溝部が形成され、
   前記溝部に、前記低融点材が溶融して硬化したナゲットが食い込み、前記高融点材における前記重ね合わせ面に沿って金属間化合物が形成されている、
   異種材料接合体。
6. 前記溝部の最外径が、３．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下である、
   請求項５に記載の異種材料接合体。
7. 前記溝部の深さが、前記高融点材の厚さの２０％以上、６０％以下である、
   請求項５に記載の異種材料接合体。
8. 複数の前記溝部が同心円状に形成され、それぞれの前記溝部同士のピッチが、前記高融点材の厚さの２０％以上、６０％以下である、
   請求項５に記載の異種材料接合体。

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