JP4198021B2 - 構成部品の亀裂を修復する方法 - Google Patents

Description

関連出願
この発明は、「摩擦攪拌接合ツール用の調整可能なピン（ADJUSTABLE PIN FOR FRICTION STIR WELDING TOOL）」と題する米国特許第５，６９７，５４４号に関連し、この特許をここに引用により援用する。

技術分野
この発明は、一般に航空機システムに関し、特に航空機の構成部品の亀裂を修復する方法に関する。

発明の背景
航空機の耐用年数は以前よりも長くなっており、今後も耐用年数が延び続けることが予想される。多くの航空機の耐用年数が長期化しているため、航空機の構成部品は、当初の予定および設計より長い期間航空機の運転で使用されている。

航空機の構成部品の動作寿命が延びているため、構成部品の疲労寿命に関する懸念の声が上がっている。特に、亀裂の発生、亀裂の成長および関連する話題が関心の的となっている。疲労の増加により、発生する亀裂の数が増加し、航空機の構成部品に存在する亀裂の成長量も増加している。亀裂の発生および成長も、航空機を運行できなくなる可能性、亀裂の修復に関する時間および費用、ならびに修復後の亀裂の成長の再発のため、懸念されている。軍用機および商用機のどちらでも、亀裂の修復には非常に費用がかかり、一般に亀裂の修復は一時的な解決方法に過ぎない。

通常、亀裂の成長は、以下の方法のうちの一つを使用して防止されるか、または修復される。亀裂の成長の防止は、亀裂の各端部にドリル加工で孔を開けることによって容易となり、これは「停止ドリル加工」と称されることがある。停止ドリル加工は一時的な解決策に過ぎず、大抵、亀裂は時が経つにつれ再び成長するが、これは亀裂の周辺の領域が疲労しており、孔を開けることで構成要素がさらに弱まるためである。

亀裂修復の１つの方法は、複合パッチの使用を含み、このパッチは、構造用接着剤を使用して亀裂に直接接着され、対象の構成部品との結合を形成する。複合パッチは、構成部品の部分で通常生じる負荷を亀裂の周辺領域に伝達する。代表的な接着剤はエポキシであるが、接着剤、ペーストまたは粘着テープの形であってもよい。複合パッチは、ある特定の構造領域に高い強度が望まれる場合に好ましい。

亀裂修復の別の方法は、亀裂に金属パッチをあてがうことを含む。金属パッチは、リベットまたはボルトなどの複数の留め具を介して対象の構成部品に留められ、構成部品との結合を形成するが、これは非常に労働力を要する。金属材料は、対象の構成部品が温度変化の大きい用途に使用される場合に好ましい。温度変化が大きい用途では、構成要素とパッチが類似の膨張特性および収縮特性を有するように、パッチが構成部品と類似かまたは同じ材料であることが好ましい。パッチと構成部品とが類似の材料である場合、パッチと構成部品との結合は温度変化に対する耐性が高い。

これらの修復方法は、停止ドリル加工よりも耐久性があり、長期間持ちこたえるが、こ
れらも一時的なものに過ぎない。したがって、上述の方法には、十分亀裂を修復または防止するものはなく、最終的には亀裂が再び成長する。

したがって、亀裂の発生および成長に対してより永続的な解決策を提供する、より頑強な亀裂修復技術が提供されることが望ましい。

発明の概要
この発明は、航空機の構成部品の亀裂を修復する方法を提供する。この方法は、修復するために亀裂の周囲の表面を準備するステップと、亀裂の第１の側の構成部品の第１の部分を亀裂の第２の側の構成部品の第２の部分に接合して、接合された亀裂領域を形成するステップとを伴う。この方法は、強度を増すため、接合された（fused）亀裂領域にパッチをあてがうことを含んでもよい。

この発明には、既存の亀裂修復技術を上回る利点がいくつかある。この発明の１つの利点は、構成部品の材料を溶かさずに亀裂を修復する接合プロセスが提供される点であり、これによって、構成部品の歪み、残留応力ならびに化学的および物理的な特性の変化が最低限に抑えられる。

この発明のもう１つの利点は、従来から溶接不可能と知られている亀裂の周囲の材料を接合させる方法が提供される点である。

さらに、この発明は従来の修復技術よりも耐久性があり長期間持ちこたえる亀裂修復の方法を提供する。

この発明、およびさらなる目的ならびに付随の利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解されるであろう。

好ましい実施例の詳細な説明
航空機の構成部品の亀裂を修復する方法に関してこの発明を説明するが、この発明は、航空機、地上用車両、船舶または亀裂の修復が必要な当該分野で公知の他の用途を含む、さまざまな用途に適合することができる。

以下の説明では、１つの実施例を構成するため、さまざまな動作パラメータおよび構成部品を説明する。これらの特定のパラメータおよび構成部品は、例として含まれるものであり、限定を意図するものではない。

さらに、以下の説明の中で、「構成部品」という用語は、パネル、補剛材、縦通材、リブ、または当該分野で公知のその他の車両構成部品を含む、あらゆる車両構成部品を指す。構成部品は、アルミニウム、マグネシウム、スチール、銅、チタンまたはインコネルなどのニッケル基合金で形成され得る。アルミニウムは、２０００、５０００、６０００、７０００および８０００系アルミニウムなどの、当該技術分野で公知のさまざまな系の種類のものであり得る。構成部品は、当該分野で公知の何らかの他の材料で形成されてもよい。

さらに、航空機業界では、さまざまな構成部品を形成する際、従来溶接不可能な特定の材料を使用しているが、これは、それらの材料の物理的特性に固有の利点があるためである。これらの利点のため、従来溶接不可能な材料の高い費用が安価な接合可能な材料に勝
っているのである。たとえば、多くの航空機パネルは、５０００系および６０００系アルミニウムより、２０００系および７０００系アルミニウムで形成されるが、これは、それらの軽量および耐久性のある特性のためである。２０００系および７０００系アルミニウム材料は溶接不可能だと知られているため、そのような材料で形成され、かつ修復が必要なほど大きいサイズの亀裂を有する構成部品はスクラップにされるか、または上述の従来からの一時的な修復方法を使用して寿命の延長が試みられる。スクラップにされた航空機の構成部品の交換は費用がかかるため、望ましくない。したがって、この発明は、上述の溶接不可能な材料で形成された構成部品内の亀裂を修復する方法を提供する。

図１および図２を参照すると、この発明のある実施例による、亀裂１４のある構成部品１２を有する航空機１０の斜視図、および構成部品１２の拡大斜視図が示される。亀裂１４は、上側１７および裏側１９を有する上部パネル１５内に位置する。亀裂１４は、構成部品１２内の貫通孔１６から延在し、第１の端部１８および第２の端部２０を有する。亀裂１４は、関連する周囲表面２２を有する。構成部品１２は、亀裂１４の第１の側２６の第１の部分２４、および亀裂１４の第２の側３０の第２の部分２８を有する。上述のように、構成部品１２は図示のようにパネルであってもよく、または当該技術分野で公知のその他の構成部品であってもよい。

図示の亀裂１４は例示のためのものに過ぎない。亀裂１４は、構成部品１２のさまざまな場所で発生し、また進度がとまるものであってもよい。亀裂１４は孔から延在しなくてもよく、端縁３２などの構成部品の端縁まで延在してもよい。亀裂１４は、複数の分岐を有してもよく、サイズおよび形状はさまざまであり得る。

さらに図３を参照すると、この発明のある実施例による亀裂１４を修復する方法を示す論理フロー図が示される。

ステップ１００では、修復のために周囲表面を準備する。準備では、当該技術分野で公知の方法を使用して、周辺表面から塵、汚れ、油またはその他の粒子などの、亀裂１４の接合に干渉する可能性のある粒子を取除く。

ステップ１０２では、第１の端部１８の近くに孔１６が存在するように、孔が亀裂の端部のほぼ近くに存在する場合、仮プラグを孔１６に挿入する。図３の例を示すのは、構成部品の構造は一般に孔の端縁近くが弱く、大抵、亀裂は構成部品の既存の孔から成長および延在するためである。当然のことながら、亀裂は孔から発生しなくてもよい。仮プラグ４０は図４で最もよく示される。仮プラグ４０は、構成部品の材料が孔１６から入り込んだり、押出されるのを防止するために使用される。仮プラグ４０は、構成部品１２の材料と類似の材料で形成してもよく、サイズおよび形状はさまざまであり得る。この発明の好ましい実施例では、仮プラグ４０は、構成部品１２の摩擦攪拌接合中に仮プラグ４０が構成部品に接合しないように、融点の高い材料で作られる。さらに、この発明の好ましい実施例では、孔１６にきつく収まるように、仮プラグ４０は孔１６の形状と類似に形作られ、わずかに大きい。たとえば、孔１６は円形の形状であって直径Ｄ₁を有し、仮プラグ４０は円筒形であって、Ｄ₁よりわずかに大きい直径Ｄ₂を有する。ステップ１０２に代わるものとして、ステップ１０４〜１０６を行なってもよい。

ステップ１０４では、既存の孔１６が摩擦攪拌プラグ接合され得る。

ステップ１０６では、孔１６の摩擦攪拌プラグ接合が完了すると、当該技術分野で公知の方法を使用して、プラグの外面および周辺表面を機械加工で平らにし、孔１６の存在した場所の近くの表面２２を滑らかにする。

ステップ１０８では、摩擦攪拌接合ツール（図示せず）を使用して、第１の部分２４を第２の部分２８に摩擦攪拌接合し、接合された亀裂領域５０を形成する。接合された亀裂領域５０は、亀裂１４とほぼ同じ場所に位置する接合ナゲット５２を有し、これは図５に最もよく示される。続く図６、図７および図８では、接合ナゲット５２は簡略化のため曲線で示される。構成部品１２の摩擦攪拌接合中、接合ツールは高速で回転しながら亀裂１４に沿って動かされ、第１の部分２４を第２の部分２８に接合するが、これは亀裂１４が孔から発生しているかいないかにかかわらず行なわれる。摩擦攪拌接合ツールと構成部品１２の材料との作用によって摩擦熱が生じ、これによって材料は軟化するが、溶けない。加熱された材料または可塑化された材料は、当該技術分野で公知のように、当初２つであったものを一体化するように固まる。ステップ１２４で説明するように、亀裂１４の摩擦攪拌接合が完了する際に、摩擦攪拌接合ツールが構成部品１２の端縁まで接合を続けるかどうかによって、出口孔５６が構成部品１２内に存在することもある。

亀裂１４の摩擦攪拌接合には、従来の修復技術を上回る利点がいくつかある。摩擦攪拌接合では材料が溶けないため、構成部品１２の歪み、残留応力、および機械的特性の変化が最低限に抑えられる。接合された亀裂領域５０は、亀裂１４が発生する以前の元々の構成部品１２に近い機械的特性を有する。摩擦攪拌接合は、複数のパスを必要とする従来の接合技術に比べて、亀裂上の１回の接合パスしか必要としないため、亀裂１４の修復に伴う時間および費用が最低限に抑えられる。他にも摩擦攪拌接合に関連する利点が複数あるが、これには充填剤が不用であること、接合された構成部品の重量が低減すること、反復性の向上、および当該技術で公知のその他のさまざまな利点が含まれる。

摩擦攪拌接合では、接合中、鍛造負荷が加わえられ、これにバックアップバー（図示せず）が反応する。バックアップバーが使用できない場合、または製作費用のためバックアップバーの使用が実現不可能である場合、摩擦攪拌接合は、ダブルショルダツールまたはボビンツールを使用することで行なうことができる。ボビンツールを使用するとバックアップバーは必要でなくなる。バックアップバーは、構成部品１２が取外され、航空機１０の外部で修復される場合に使用可能である。構成部品１２を原位置で修復する場合、ボビンツール（これも図示せず）を使用することができる。ボビンツールは、１つは構成部品１２の上側１７に負荷を加えるため、もう１つは構成部品１２の裏側１９に負荷を加えるための、２つのショルダを有する。当該技術分野で公知のように、下向きの方向に押圧される上側ショルダと、上方に引張られる裏側ショルダとによって、等しくかつ対向する負荷が加えられる。

ステップ１０８が完了すると、孔１６はもはや存在せず、窪みまたは部分的出口孔５６が存在するが、これは元々存在していた孔１６と同様の寸法であってもよいし、そうでなくてもよい。出口孔５６は、ギザギザの端縁５４を有することがあり、これは比較的大きな応力集中をもたらす。出口孔５６およびギザギザの端縁５４は図５に最もよく示される。応力集中が大きいほど、亀裂の発生または成長が起こりやすい。

亀裂１４の摩擦攪拌接合を仕上げる際に、出口孔５６を接合させ、出口孔５６の発生を防止するために、格納式摩擦攪拌接合ツールを使用してもよい。格納式摩擦攪拌接合ツールは、亀裂１４が孔から発生しているかいないかにかかわらず使用可能である。摩擦攪拌接合は、端部１８または２０から始まり、接合は、接合が開始された方でない端部１８または２０を超えて延在する。格納式摩擦攪拌接合ツールも、孔１６などの既存の孔から接合を始めてもよいし、または、たとえば、端部２０などの孔の存在しない端部から接合を始めてもよい。

ステップ１１０では、仮プラグ４０が使用される場合、摩擦攪拌接合ツールは出口孔５６の中心６０で外される。

ステップ１１２では、既存の孔１６の直径が摩擦攪拌接合ツールピンの直径よりも大きい場合、仮プラグ４０は構成部品１２から取除かれる。仮プラグ４０はドリルでプラグ４０を構成部品１２から取出すことで取除かれる。

摩擦攪拌接合では公知のように、摩擦攪拌接合ツールが構成部品１２から引抜かれる出口孔５６が残る。出口孔５６は既存の孔１６と同じ場所にあってもよい。摩擦攪拌接合ツールは、既存の孔１６から引抜かれてもよいし、または孔１６が元々存在しない場合、つまり、亀裂１４が孔から発生していない場合、他の場所から引抜かれてもよい。残った出口孔５６は、用途によって懸念となる場合もあれば、そうでない場合もある。後述するように、出口孔５６を構成部品１２に残すこともできれば、接合して閉鎖することもでき、ドリルで大きくすることもできれば、形成しないこともできるという点において、この発明は多様性を提供する。

ステップ１１４では、出口孔５６上をドリル加工して構成部品１２を貫通することで、出口孔５６を拡大、延長して構成部品１２を貫通させ、仕上げ孔５８を作ってもよい。仕上げ孔５８は図６に最もよく示され、ギザギザの端縁５４ではなく、滑らかな円形の端縁５９を有するため、出口孔５６の応力集中を低減させる。

ステップ１１６では、摩擦攪拌接合ピンの直径が既存の孔１６の直径よりも大きい場合、既存の孔１６を通りそれを超えて、部分的出口孔５６′まで摩擦攪拌接合を続けてもよい。摩擦攪拌接合後は既存の孔１６は存在しないため、図７では破線で示される。

ステップ１１８では、ステップ１０８、１１２、１１４または１１６が完了すると、既存の孔１６および出口孔５６ならびに５６′をドリル加工で拡大して、ステップ１１４と同様に、応力集中を低減させてもよい。ステップ１１８が完了すると、ステップ１２０またはステップ１２４を行なってもよい。

ステップ１２０では、仕上げ孔５８を残すだけでなく、ワッシャ７４を有する留め具７２を仕上げ孔５８を通って延在させ、構成部品１２に固定させてもよい。これは図８に最もよく示される。留め具７２およびワッシャ７４の組合せにより、仕上げ孔５８の端縁５９の応力が低減し、元々の亀裂１４の再成長、および付加的な亀裂が仕上げ孔５８から成長するのが防止される。当然のことながら、留め具は当該技術分野で公知のさまざまな種類および形であり得る。

ステップ１２２では、端部１８または２０を超えて接合する際に、格納式摩擦攪拌接合ツールは構成部品１２からゆっくりと取除かれるが、構成部品１２に圧力が残り、出口孔５６は接合して閉鎖する。格納式摩擦攪拌接合ツールについてのさらなる説明は、米国特許第５，６９７，５４４号を参照されたい。

ステップ１２４では、構成部品の端縁に向かう方向で亀裂を接合する場合、摩擦攪拌接合ツールは、たとえば、第１の部分２４から第２の部分２８を接合し、さらに端縁３２まで接合を続けて、摩擦攪拌接合ツールが構成部品１２から外される孔を存在させないようにすることができる。構成部品１２と類似の材料で形成されたタブ８０を端縁３２に接合させ、摩擦攪拌接合をそのタブまで延長すると、部分的出口孔が構成部品１２ではなく、タブ８０に形成される。これは図９に最もよく示される。その後、当該技術分野で公知の方法を使用して、タブは構成部品１２から取除かれる。タブのサイズ、形状はさまざまであり、当該技術分野で公知のさまざまな材料で形成され得る。

接合された亀裂領域５０の機械的特性は、亀裂１４のない元々の構成部品１２に近いが
、接合された亀裂領域５０の強度を増すため、ステップ１２６を行なってもよい。

ステップ１２６では、接合された亀裂領域５０をさらに強化するため、亀裂１４が存在した場所をほぼ含む接合された亀裂領域５０の上にパッチ７８をあてがってもよい。パッチ７８は複合材料であってもよいし、金属材料または当該技術分野で公知の他の材料であってもよい。複合材料を使用する場合、当該技術分野で公知の構造結合材料を使用して、パッチ７８を構成部品１２に接着してもよい。金属材料を使用する場合、当該技術分野で公知のその他の固定技術または結合技術を使用して、パッチ７８を構成部品１２に、リベット締め、接合、または結合してもよい。複合材料は、ある所与の構造領域に高い強度が望まれる場合に使用可能である。対象の構成部品が温度変化の大きい用途で使用される場合、金属材料が好ましい。

上述のステップは例示的なものであり、これらのステップは、用途によって、順次行なってもよいし、同期して行なってもよいし、または異なる順序で行なってもよい。

図１０を参照すると、この発明の複数の実施例による複数の亀裂修復技術を示すグラフが示される。このグラフは、複数のサンプルまたは金属試験ストリップ（図示せず）の亀裂の長さと加えられた負荷サイクルとを表わし、各サンプルまたはストリップは、類似の亀裂を有し、この発明の方法を使用して修復された。

２つの亀裂の最初のおよその長さは、０．５″（０．５インチ＝１２.７ｍｍ）および０．０５″（０．０５インチ＝１．２７ｍｍ）である。最初の亀裂の長さが０．０５″である曲線は、亀裂がないか、または検出可能な最小の亀裂の長さである、０．０５″までの長さの亀裂を有するサンプルに対応する。第１の基準ベース曲線Ａおよび第２の基準ベース曲線Ｂは、最初の亀裂の長さが０．５″である第１のサンプルおよび最初の亀裂の長さが０．０５″である第２のサンプルのそれぞれについて示される。第１のサンプルにパッチをあてがった場合、曲線Ａに対する曲線Ｃで示されるように、このサンプルが耐えられる負荷サイクルの量は、パッチがない場合より増加する。摩擦攪拌接合を第１のサンプルで使用した場合、０．５″の亀裂は、長さが０．０５″に等しいか、またはそれより小さい亀裂に低減され、曲線Ａに対して曲線Ｄで示されるように、このサンプルは、より多くの負荷サイクルに耐えることができる。しかしながら、曲線Ｄで示されるように、摩擦攪拌接合された部分が耐えることのできるサイクル数は、最初の亀裂の長さが０．０５″であり、かつ摩擦攪拌接合されていない第２のサンプルのサイクル数より少ない。さらに、亀裂を最小限に抑えるか、またはなくすために摩擦攪拌接合を使用し、かつパッチをサンプルにあてがった場合、第１のサンプルについての曲線Ｅで示されるように、このサンプルはパッチをあてがった場合か、亀裂を摩擦攪拌接合した場合よりも多くの負荷サイクルに耐えることができる。

摩擦攪拌接合とパッチの適用を組合せることにより、構成部品の耐用年数が母材よりも向上される。摩擦攪拌接合とパッチの適用の両方を使用することで、構成部品と用途によって、構成部品の耐用年数を２倍以上にできる可能性がある。

したがって、この発明は、以前の修復技術よりも耐久性の向上した、構成部品の亀裂の修復方法を提供する。この発明の摩擦攪拌接合され、パッチをあてがわれた構成部品は、より多くの負荷サイクルに耐えることができ、構成部品の寿命が向上する。

当業者は、上述の方法および装置を、航空機での用途、陸上車両での用途、または亀裂の修復を必要とする当該技術分野で公知のその他の用途を含むさまざまな用途に適合することができる。上述の発明は、この発明の真の範囲を逸脱することなく変形が可能である。

この発明のある実施例による、亀裂のある構成部品を有する航空機の斜視図である。 この発明のある実施例による、構成部品の拡大斜視図である。 この発明のある実施例による、亀裂を修復する方法を示す論理フロー図である。 この発明のプラグ接合技術に従って使用されるサンプルプラグの斜視図である。 この発明の一実施例による、亀裂の摩擦攪拌接合による部分的出口孔の上面拡大斜視図である。 この発明の一実施例による、既存の貫通孔を超えた摩擦攪拌接合を示す構成部品の拡大斜視図である。 この発明の一実施例による、亀裂の端部にドリル加工された仕上げ貫通孔を示す構成部品の拡大斜視図である。 この発明の一実施例による、留め具の使用を示す構成部品の拡大斜視図である。 この発明の一実施例による、摩擦攪拌接合が構成部品の端縁まで行なわれる場合のタブ材料の使用を示す構成部品の拡大斜視図である。 この発明の一実施例による複数の亀裂修復技術を示すグラフである。

符号の説明

１２ 構成部品、１４ 亀裂、１８ 第１の端部、２０ 第２の端部、２２ 周囲表面、５０ 接合された亀裂領域。

Claims (9)

1. 構成部品（１２）の亀裂（１４）を修復する方法であって、
   修復のために前記亀裂（１４）の周囲表面（２２）を準備するステップと、
   前記亀裂（１４）の第１の端部の近くに位置する前記構成部品（１２）の既存の孔に前記構成部品（１２）の融点よりも高い融点の仮プラグを挿入するステップと、
   前記亀裂（１４）の第１の端部から少なくとも第２の端部にまで前記亀裂（１４）の第１の側（２６）の前記構成部品（１２）の第１の部分（２４）を前記亀裂（１４）の第２の側（３０）の前記構成部品（１２）の第２の部分（２８）に摩擦攪拌接合して、接合された亀裂領域（５０）を形成するステップと、
   前記既存の孔とは異なり、前記摩擦攪拌接合の終端部に位置する出口孔（５６）の中心で摩擦攪拌接合ツールを外すステップと、
   前記仮プラグを前記構成部品（１２）から取除くステップとを含む、構成部品の亀裂を修復する方法。
2. 前記接合された亀裂領域（５０）の上にパッチ（７８）をあてがうステップと、
   前記パッチ（７８）を前記構成部品（１２）に結合するステップとをさらに含む、請求項１に記載の構成部品の亀裂を修復する方法。
3. 付加的なタブ材料（８０）を使用して、前記構成部品（１２）の端縁（３２）まで構成部品（１２）の摩擦攪拌接合を続けるステップをさらに含む、請求項１に記載の構成部品の亀裂を修復する方法。
4. 前記摩擦攪拌接合の後に、前記構成部品（１２）の前記出口孔に留め具を挿入するステップをさらに含む、請求項１に記載の構成部品の亀裂を修復する方法。
5. 前記摩擦攪拌接合の後に、格納式のピンツールを介して前記構成部品（１２）の前記出口孔を閉鎖するステップをさらに含む、請求項１に記載の構成部品の亀裂を修復する方法。
6. 前記構成部品（１２）の前記既存の孔を摩擦攪拌プラグ接合するステップをさらに含む、請求項１に記載の構成部品の亀裂を修復する方法。
7. 前記第１の部分（２４）を前記第２の部分（２８）に摩擦攪拌接合する前記ステップは、
   前記亀裂（１４）の第１の端部（１８）で摩擦攪拌接合を開始するステップと、
   前記亀裂（１４）の第２の端部（２０）まで摩擦攪拌接合するステップとを含み、
   前記構成部品を貫通するように前記出口孔（５６）にドリル加工を施して仕上げ孔を設けるステップと、
   前記仕上げ孔に留め具を挿入するステップとをさらに含む、請求項１に記載の構成部品の亀裂を修復する方法。
8. 前記構成部品に貫通孔をドリル加工で開け、前記出口孔を拡大または延長させるステップをさらに含む、請求項１に記載の構成部品の亀裂を修復する方法。
9. 前記摩擦攪拌接合するステップは、前記構成部品（１２）の側に、等しくかつ対向する負荷を加えるために、両面ツールを使用するステップを含む、請求項１に記載の構成部品の亀裂を修復する方法。

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