JP3202642U - フィードバック制御を有する溶接機 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接ユニットにおいて、シールドガスのフロー制御を向上させる溶接システムを提供する。【解決手段】溶接システムであって、シールドガス入力部、トリガーを有する溶接ガン３０に連結されたシールドガス出力部及び少なくともシールドガスのためのフィードバック制御システム４４を含み、フィードバック制御システム４４は、シールドガス入力部とシールドガス出力部との間のフローを測定するための流量センサ４８と、シールドガス入力部とシールドガス出力部との間のフローを調整するためのバルブ４６とを含む。【選択図】図５

Description

本考案は、溶接、特にアーク溶接用又は切断用の改良されたガス流量コントローラに関し、より具体的にはガス制御が向上したアーク溶接機に関する。

溶接作業では、溶接領域を保護するためにシールドガスとして不活性ガス又は半不活性ガス、例えばヘリウム、アルゴン、二酸化炭素等が頻繁に使われている。溶融溶接溜まりの汚染を防止するために、溶接領域内の空気がシールドガスに置き換えられる。係る汚染は、大気中に存在する窒素、酸素及び水蒸気によって主に引き起こされる。例えば、固化したスチール中の窒素は溶接部の延性及び衝撃強度を低下させ、亀裂を引き起こすことがある。多量の窒素は溶接気孔（weld porosity）の原因にもなり得る。スチール中の過剰な酸素は炭素と結び付いて一酸化炭素（ＣＯ）を形成する。この気体が金属中で閉じ込められて、気孔が生じる。それに加えて、過剰な酸素はスチール中の他の元素と結び付いて、溶接金属内で介在物（inclusions）を生成する化合物を形成し得る。空気蒸気や油の中に存在する水素が鉄又はアルミニウムのいずれかと結び付くと気孔が生じ、溶接金属の「ビード下割れ」が起こることがある。様々な溶接用途や溶接工程で欠陥のない溶接部を提供するために、アルゴン、ヘリウム及び二酸化炭素を単独で又は他の気体と組み合わせて若しくは混合して使用することができる。

ミグ（Metal Inert Gas）（「ＭＩＧ」）溶接では、過剰なシールドガスフローは溶接に悪影響を及ぼす。また、ミグ溶接では空気をアークから除外するためにガス乱流を最小限に抑える必要がある。シールドガス流量を設定するためにいくつかの装置が使用される。そのうちの１つは、例えばフロー制御ノブを備えた流量計であり、シリンダ又はパイプラインガス源に使用される。フロートボールを通常用いてガス送達ホース内の圧力を、シールドガスの所望の流量を得るのに必要な圧力に下げるニードルバルブがフロー制御ノブによって調整される。他の装置はシリンダーガス源専用のものである。この装置は非常に小さいオリフィスを利用し、フローを制御するために調整器を使用して係るオリフィスの上流の圧力を変化させる。

流量計又は調整器で設定した流量が溶接の間に設定値のまま維持されることが重要である。しかしながら、ミグ溶接ガンのノズル内でのスパッタの蓄積、ミグ溶接ガンのケーブル内のガス流路で起こるねじれ又は導管流路部における破片の蓄積等、流量を変化させる制限（restrictions）が製造時に起こる。上記のような変動を最小限に抑えることを目的としてチョーク流れシステム（choked flow systems）が開発された。これらのシステムでは、オリフィス又はバルブの制限の上流側が高圧力であることが必要であった。しかしながら、高圧によってガスの初期サージが引き起こされる。これは高品質の溶接部を得るうえで望ましくない。実際に、溶接工程の開始時に非常に高いガスサージが起こると、空気がガス流と混ざって、定常状態が得られるまで内部溶接気孔が引き起こされ得る。

低圧装置にも同様に課題がある。これらのシステムには、高圧装置の自動流量補償（automatic flow compensation）がなく、溶接作業の開始時に余分なガスが不足して溶接スタート部（weld starts）が劣ったものとなる。

ガス線から溶接トーチへのフローの過不足によって、スパッタ、気孔及び溶接部の汚染を含む溶接部の初期不整が引き起こされる。従って、シールドガスフローの変動を低減する及び／又はシールドガスフローの変動を最小限に抑えることが望ましい。

最後に、溶接ガンの様々なブランド及び様々な場所によって、ガスのフローにさらなる影響を与え得るフロー特性が異なり得る。圧力又は体積に基づく流量コントローラは、溶接位置（welding site）に実際に移動する流量を測定する手段を持っていないため、流量コントローラはガス源からのフロー又は溶接ガンを通るフローの変動を捕らえられない。従って、溶接作業の特に開始時にシールドガスのフローを調整することが可能な改良されたガス流量コントローラの必要性が認識される。

溶接作業の特に開始時にシールドガスフローの変動を低減する及び／又は最小限に抑えるという課題は、請求項１に記載の溶接システム及び請求項１０に記載の制御フィードバックシステムによって解決される。好ましい実施形態はとりわけ従属項に開示されている。上記の制御フィードバックシステムに関して、制御フィードバックシステムが、絞り弁の上流にあり且つコントローラと連通した圧力センサをさらに含むこと及び／又は質量流量センサが溶接ガンの近傍に又は溶接ガン内に位置していることが特に好ましい。溶接システムは少なくともシールドガス入力部（shield gas input）；トリガーを有する溶接ガンに連結されたシールドガス出力部（shield gas output）；及び少なくとも前記シールドガスのためのフィードバック制御システム；を含む。シールドガスフィードバック制御システムは、前記シールドガス入力部と前記シールドガス出力部との間のフローを測定するための質量流量センサと、前記シールドガス入力部と前記シールドガス出力部との間のフローを調整するためのバルブと、流量センサから受信した入力に基づいて前記バルブにバルブ位置出力を伝達するためのコントローラとを含む。

本考案の一態様では、上記の制御システムは、バルブ位置フィードバックに基づいて前記バルブを調整するコントローラにバルブ位置を伝達するバルブ位置センサを含み得る。上記のフィードバック制御システムはさらに、フローの圧力を測定してその情報をコントローラに伝達する圧力センサを任意で含み得る。

上記のフィードバック制御システムは、流量センサ、圧力センサ及びバルブ位置センサから成る群から選択されるセンサのうちの少なくとも２つからの信号を分析し、少なくとも２つの信号に基づいてシールドガス出力部を調整し得る。本考案の他の態様では、上記の制御システムは３つのセンサの全てからの信号を分析し得る。

本考案の他の態様では、溶接位置に目標シールドガス流量を提供する方法を記載する。該溶接位置は、ガス入力部、電気入力部、ワイヤフィーダ、溶接ガン及び該ガス入力部から該溶接ガンへのガスのフローを調整するためのフィードバック制御システムを含み得る。該フィードバック制御システムは少なくとも、前記溶接ガンへのシールドガスの流量を制御するためのバルブと、前記溶接ガンへのガスフローの流量を測定するための質量流量センサと、該質量流量センサから流量信号を受信し、前記バルブにバルブ信号を伝達するコントローラとを含む。上記の方法は：前記バルブ後のシールドガスの流量を前記コントローラに伝達するステップ；前記シールドガスの流量に基づいて流量信号を判定するステップ；前記流量と目標流量とを比較するステップ；前記バルブ信号を算出するステップ；前記バルブに前記バルブ信号を提供するステップ；及び前記バルブ信号に基づいて前記バルブにより前記シールドガスの流量を調整するステップを含む。

上記の方法は、供給ガスの入力圧を観察するステップを任意で含み得る。該観察ステップでは、前記コントローラに伝達するために圧力信号が生成される。上記の方法は、前記流量及び前記圧力信号の分析から前記バルブ信号を算出する後続ステップをさらに含み得る。

上記の方法はさらに、バルブ位置を観察し、その位置信号を前記コントローラに伝達するステップを任意で含み得る。

本考案の一態様では、前記質量流量センサは前記溶接ガンの近傍に又は前記溶接ガン内に位置する。

本考案は、シールドガスフロー制御フィードバックシステムの構成要素にも及ぶ。当該システムは少なくともシールドガス絞り弁と、該絞り弁の下流にある質量流量センサと、質量流量センサ及び絞り弁と連通し、質量流量センサから受信した信号に少なくとも基づいて絞り弁を調整するコントローラとを含み得る。

上述したように、ガスフロー制御フィードバックシステムは、絞り弁の上流にあり且つコントローラと、該コントローラと連通したバルブ位置センサとに連通した圧力センサを任意で含み得る。

本考案は、特定の部分及び部分の構成において物理的形態を取り得る。その好ましい実施形態は本明細書に詳述され、本願の一部を成す添付の図面に図示されている。
図１は、シールドガス源を有する溶接機の概略図である。 図２は、図１に示す溶接機のためのガスフィードバック制御システムの概略図である。 図３は、図１に示す溶接機のためのガスフィードバック制御システムの概略図である。 図４は、他の変形例に係るガスフィードバック制御システムの概略図である。 図５は、他の変形例に係るガスフィードバック制御システムの概略図である。 図６は、時間に対するガス流量の理想的条件を示すグラフである。 図７は、流路が閉塞している場合の時間に対するガス流量を示すグラフである。 図８は、高圧状態の場合の時間に対するガス流量を示すグラフである。 図９は、時間に対するガス流量の理想的条件を示すグラフである。 図１０は、高圧状態の場合の時間に対するガス流量を示すグラフである。 図１１は、低圧状態の場合の時間に対するガス流量を示すグラフである。

本願の出願時に出願人が知っていた最良の形態を説明する目的で、本考案を実施するための最良の形態を以下で説明する。実施例及び図面は例示に過ぎず、本考案を限定することを意図したものではない。本考案は請求項の範囲及び精神によって評価される。ここで図面を参照して（図示のものは本考案の例示の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本考案を限定するためのものではない）、図１は溶接システム２０を示す。溶接システム２０は溶接ユーザーインターフェース２２、ワイヤフィーダ及びスピンドル２４、ガス流量コントローラ２６、溶接電源２８及び溶接ガン（gun）３０を含む。シールドガスは、ガス線、ガス充填シリンダ又は他の加圧源等のガス源３２からガス流量コントローラ２６に供給される。シールドガスは、ヘリウム、窒素、アルゴン、二酸化炭素及び他の公知なシールドガス、多くの場合溶接部の品質を向上させるために非反応特性を有するものから成る群から選択されることが好ましい。図１に示すように、ガス流量コントローラ２６は、ユーザーが好ましい圧力又は流量を選択できるようにする電動ソレノイド等の可変フロー制御部を含む。

シールドガスは、ゴム、ナイロン若しくはガラス繊維強化プラスチック等の可撓性材料又はステンレス鋼若しくは銅等の剛性材料で構成され得る供給ホース又は供給管３４によってガス源３２から流量コントローラ２６に供給される。圧力調整器３６は、出力圧力を調整するためにガス源３２と供給ホース３４との間に位置している。好ましい構成では、圧力調整器３６はガス源３２に直接連結され、好ましい圧力でシールドガスが流れる「オン」状態と、ガスが圧力調整器３６を通過しない「オフ」状態との間で制御可能である。

図面に示すように、ガストーチ線３８がガス流量コントローラ２６から溶接ガン３０に延びている。ガストーチ線３８は可撓性であっても剛性であってもよい。溶接ガン３０はトリガー４０を含む。トリガー４０は任意でガスバルブ４２を含み、シールドガスが溶接ガン３０を通過するようにして、溶接位置にシールドガスを提供する。一部の構成では、トリガー４０のガスバルブ４２は、ガスのフローが溶接ガン３０を通過できるようにするか又は通過できないようにするオン／オフスイッチである。他方で、他の構成では、ガスバルブ４２は、トリガー４０の係合の程度に応じて可変量のシールドガスが溶接ガン３０を通過できるようにする可変バルブである。

図２は、供給ホース３４から溶接ガン３０へのガスフローを正確に制御するためのフィードバック制御システム４４を示す。この構成では、バルブ４６、好ましくは比例バルブ４６、流量センサ４８及びコントローラ５０が設けられ、流量センサ４８は供給ホース３４から溶接ガン３０に流れるシールドガスの量を検出し、その情報をコントローラ５０に伝える。コントローラ５０は、予め設定されたシールドガスのフローに応じてシールドガスのフローの量を増やすか又は減らすために比例バルブ４６を調整する。

流量センサ４８は、溶接ガン３０に向かうシールドガスの体積流量又は質量流量のいずれかを測定する。この情報はデジタル化され、信号Ａを介してコントローラ５０に送信される。コントローラ５０はシールドガスの流量を受信し、この流量が事前に選択された流量よりも大きいか小さいかを判断する。シールドガスの流量が事前に選択された流量よりも小さい場合は、バルブ制御信号Ｂにより高出力信号が比例バルブ４６に送信されて流量が増やされる。シールドガスの流量が事前に選択された流量よりも大きい場合は、バルブ制御信号Ｂにより低出力が比例バルブ４６に送信されて流量が減らされる。

好ましい構成によれば、流量センサ４８は、フロー信号Ａ、例えばデジタル電子信号を出力可能なコリオリ質量流量センサである。フロー信号Ａは、波周波数、電圧、電流又は他の可変信号に基づいて変動し得る。あるいは、流量センサ４８は圧力、流量又は溶接ガン３０に流れるシールドガスの量を示す他の特徴を検知し得る。

多くの場合、コントローラ５０は、デジタル又はアナログの電気入力であり得るフロー信号Ａを受信し、その入力を設定状態と比較して電動バルブにバルブ制御信号Ｂを提供することが可能なマイクロプロセッサである。この構成では、設定状態は予め設定された一定値であるか又は例えばユーザーインターフェース画面からのユーザー選択値に基づいて決定され得る。

図３により分かり易く示すように、フィードバック制御システム４４は比例バルブ４６を含む。比例バルブ４６は、電動バルブ４６の位置をコントローラ５０に伝えるバルブ位置信号Ｃをさらに含み得る。図２に示す構成では、コントローラ５０がバルブ制御信号Ｂに基づいてバルブ４６の位置を計算する必要があるが、（計算した位置は）摩耗により又は計算若しくは送信の誤りによって正確ではない場合がある。しかしながら、比例バルブ４６からコントローラ５０にバルブ位置信号Ｃを提供することで、比例バルブ４６の位置をより正確にコントローラ５０に伝えられる。これで、バルブ４６の予測位置がバルブ４６の実際の位置と合致する。この構成により、流量センサ４８を通って溶接ガン３０に向かうフローをより正確に制御できる。

図４により分かり易く示すように、フィードバック制御システム４４のバルブ位置信号Ｃが省略されて、電動バルブ４６の上流に圧力センサ５２が含まれ得る。圧力センサ５２は、圧力センサ５２からコントローラ５０に送信される圧力信号Ｄを含む。圧力センサ５２は、シールドガスのライン圧力を検出し、圧力信号Ｄを介してその情報をコントローラ５０に送信するように構成されている。コントローラ５０はその情報を用いて、（フロー信号Ａが示す）低フロー状態が低入口圧力によって起きているのか又は溶接ガン内の制限によって起きているのかを判断する。例えば、フロー信号ＡがＬｏｗで、圧力信号ＤがＬｏｗならば、低フロー状態は低入口圧力によって引き起こされている。しかしながら、フロー信号ＡがＬｏｗで、圧力信号ＤがＨｉｇｈの場合は閉塞を示し、コントローラ５０はエラーを出力し得る。

圧力センサ５２からコントローラ５０に圧力信号Ｄを伝達することの少なくとも１つの利点は、コントローラ５０がより正確に利得を制御し得るか又はより正確にバルブ４６を調整し得る点である。あるシナリオでは、圧力信号Ｄが高圧力を報告し、フロー信号Ａが低フローを報告し得る。シールドガスのフローの急激な変化を防止するために、コントローラ５０はバルブ４６にゆっくり開放するよう命令して、ライン圧力及びフローを徐々に変化させる。しかしながら、圧力信号ＡがＬｏｗで、フロー信号ＡがＬｏｗであるならば、コントローラ５０はバルブ４６に素早く開放するよう命令して、シールドガスのフローの増加率がより高くなるようにする。

図５に示すように、より高性能なフィードバック制御システム４４は、溶接ガン３０へのシールドガスのフローを制御するための比例バルブ４６、シールドガスのフローの量を測定するための流量センサ４８、バルブ４６を調整するためのコントローラ５０及びシールドガスのライン圧力を測定するための圧力センサ５２を含み得る。フロー信号Ａは、流量センサ４８からのフローの量をコントローラ５０に伝え、バルブ制御信号Ｂはコントローラ５０がバルブ４６の位置を調整できるようにし、バルブ位置信号Ｃはバルブ４６の位置をコントローラ５０に中継し、圧力信号Ｄは、圧力センサ５２からのライン圧力をコントローラ５０に伝える。この構成は、前述した２つの構成の利点を組み合わせたものである。

具体的には、この構成によれば、コントローラ５０は、シールドガスの圧力（圧力信号Ｄ）、バルブ４６の位置（バルブ位置信号Ｃ）及び溶接ガン３０に流れるシールドガスの量（フロー信号Ａ）に関する入力を受信する。そして、コントローラ５０はこの情報を用い、バルブ制御信号Ｃを介してバルブ４６に出力を送信することでバルブ４６を制御する。コントローラ５０に入力される様々な入力信号は、コントローラが様々な状況を分析し、バルブ制御信号Ｂ内に出力を提供することを必要とする。

コントローラ５０に入力されるこれらの入力信号（フロー信号Ａ、バルブ位置信号Ｃ及び圧力信号Ｄ）のそれぞれは、測定された値が好ましいレベルよりも大きいか、小さいか又は係るレベルと同じかを示すデジタル信号、例えばＨｉｇｈ電圧、Ｌｏｗ電圧又はゼロ電圧等を伝達する。同様に、バルブ制御信号Ｂによってバルブ４６に伝達される任意の出力は、選択的に開放信号、閉鎖信号、中立信号である。コントローラ５０は、バルブ制御信号ＢをＨｉｇｈ電圧、Ｌｏｗ電圧又はゼロ電圧として出力可能であり、任意でエラー信号も出力し得る。バルブ制御信号ＢがＨｉｇｈ又はＬｏｗであるなら、バルブ４６が開放するか又は閉鎖する。出力がゼロならば、バルブの位置は変わらない。出力がエラーの場合、バルブはエラーの種類に応じて完全に閉鎖するか又はエラー出力をゼロ出力として解釈する。例えば、所望の流量をサポートする上で圧力が低すぎる場合、バルブ４６はフローを最大化するために開放し得る。しかしながら、圧力信号ＤがＨｉｇｈで、フロー信号ＡがＬｏｗの場合は溶接ガン３０内に閉塞があり得るため、バルブ４６を閉鎖して損傷又は非品質の溶接部を回避する必要がある。あるいは、信号はアナログ値を伝達し得る。

図６〜図８にガス流量及びバルブ位置の様々なグラフを示す。これらのグラフでは、バルブ４６の位置を０〜１００％（好ましい動作範囲は約５０％）で示す。これらのグラフの左側は目標ガス流量を示す一方、右側はバルブ４６が開いている量を示す。図６に示す理想的条件では、バルブ４６は一定の速度で開放され、ガス流量は一定で増加する。バルブ４６が５０％に達して目標ガス流量が得られると、バルブ４６は溶接が終了するまで開放したままでとどまる。バルブが完全に閉鎖され、ガス流量が目標流量からゼロに減らされることもある。

図７に流路が閉塞しているか又はガスが不足しているシナリオを示す。このシナリオでは、所望のガス流量を得るためにバルブ４６を１００％で開放しなければならない。この場合、理想的条件の場合と同じ時間でフローを最大にするのにバルブ４６をより早い速度で開放する必要があった。

図８にガスの圧力が高いシナリオを示す。このシナリオでは、バルブ４６は全フローの低い割合（lower percent total flow）、例えば約２５％開放されている。この場合、流量の急増を避けるために高度な制御が必要となる。

図９〜図１１は、ガスのフロー及び実際の溶接出力を時間関数として示す様々なシナリオを示す。目標ガス流量をグラフの左側に沿って示し、溶接出力をグラフの右側に沿って示す。溶接ガン３０のトリガー４０が引かれると、ガスは溶接ガン３０を通って出力部に流れる。これらの図では、様々なシナリオ、即ち、理想的シナリオ、高圧シナリオ及び低圧シナリオはガスのフローをトリガー４０が係合した後の時間関数として示す。

図９に理想的なシナリオを示す。この条件によれば、トリガー４０が引かれると、ガス流量が目標ガス流量より僅かに大きい（約５％）最大値に増加する。その後、ガス流量は目標ガス流量まで減少し、理想的な溶接出力が可能になる。

図１０にガスの圧力が高いシナリオを示す。トリガー４０が引かれると、ガス流量は目標ガス流量になる前に、プリフロー適応状態（adaptive pre-flow condition）において高圧により急増する。この状態では、変動又は緩やかな蓄積を防止するためにコントローラ５０はガス圧を短期間急増させる。

図１１に圧力が低いシナリオを示す。トリガー４０が引かれると、コントローラ５０はより長い適応プリフロー時間に亘ってバルブを開放するため、目標ガス流量に達するまで流量が増加する。

本願の出願時に出願人が知っていた最良の形態を説明する目的で、本考案を実施するための最良の形態を説明してきた。実施例は例示に過ぎず、本考案を限定することを意図したものではない。本考案は請求項の範囲及び精神によって評価される。好ましい実施形態及び代替的な実施形態を参照して本考案を説明してきた。当業者であれば、本明細書を読んで理解した際に修正及び変更を思い付くことがあるのは明らかである。そのような修正及び変更は、添付の請求項及びその同等物の範囲に含まれる限り全てが本考案に含まれる。

２０ 溶接システム
２２ ユーザーインターフェース
２４ スピンドル付ワイヤフィーダ
２６ ガス流量コントローラ
２８ 溶接電源
３０ 溶接ガン
３２ ガス源
３４ 供給ホース又は供給管
３６ 圧力調整器
３８ ガストーチ線
４０ トリガー
４２ ガスバルブ
４４ フィードバック制御システム
４６ バルブ
４８ 流量センサ
５０ コントローラ
５２ 圧力センサ
５４ バルブ位置調整センサ
Ａ フロー信号
Ｂ バルブ制御信号
Ｃ バルブ位置信号
Ｄ 圧力信号

Claims (10)

1. 溶接システムであって：
   シールドガス入力部；
   トリガーを有する溶接ガンに連結されたシールドガス出力部；及び
   少なくとも前記シールドガスのためのフィードバック制御システム；
   を含み、
   前記フィードバック制御システムは、前記シールドガス入力部と前記シールドガス出力部との間のフローを測定するための流量センサと、前記シールドガス入力部と前記シールドガス出力部との間のフローを調整するためのバルブとを含む、溶接システム。
2. 前記バルブはバルブ位置センサをさらに含み、該バルブ位置センサは、該バルブ位置センサからのバルブ位置出力に基づいてコントローラにバルブ位置を伝達する、請求項１に記載の溶接システム。
3. 前記コントローラは前記バルブ位置を対話式に制御する、請求項２に記載の溶接システム。
4. 前記コントローラは、前記バルブ位置からのフィードバックが前記バルブ位置出力と異なる場合に指摘するアラームを含む、請求項２又は３に記載の溶接システム。
5. 前記フィードバック制御システムは、プリフロー適応制御のために前記フローの圧力を測定し、該圧力を前記コントローラに伝達する圧力センサをさらに含む、請求項２〜４のいずれか１項に記載の溶接システム。
6. 前記フィードバック制御システムは、前記流量センサ、前記圧力センサ及び前記バルブ位置センサのうちの少なくとも２つからの信号を分析し、該少なくとも２つの信号に基づいて前記シールドガス出力部を調整する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶接システム。
7. 前記フィードバック制御システムは、前記流量センサ、前記圧力センサ及び前記バルブ位置センサの全てからの信号を分析し、該３つの信号に基づいて前記シールドガス出力部を調整する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶接システム。
8. 前記流量センサは前記溶接ガン内に位置している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の溶接システム。
9. 前記流量センサは質量流量センサ、コリオリ質量流量センサ若しくは体積流量センサであるか又は前記流量センサは圧力若しくは前記溶接ガンに流れる前記シールドガスの量を示す他の特徴を検知する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の溶接システム。
10. 溶接ユニットで用いるシールドガスフロー制御フィードバックシステムであって：
    絞り弁の形態のシールドガスバルブ；
    前記絞り弁の下流にある流量センサ；及び
    前記流量センサ及び前記絞り弁と連通し、前記流量センサから受信した信号に少なくとも基づいて前記絞り弁を調整するコントローラ；
    を含むシールドガスフロー制御フィードバックシステム。

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