JP6504700B2 - ２ワイヤ溶接の溶接開始方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池の後半部にフィラーワイヤを接触させながら送給して行う２ワイヤ溶接の溶接開始方法に関するものである。

消耗電極アークによって形成された溶融池に、フィラーワイヤを接触させながら送給して行う２ワイヤ溶接方法は、消耗電極アークの溶接ワイヤとフィラーワイヤとの２つのワイヤを使用するために高速溶接性及び高溶着性に優れている。特に、２ワイヤ溶接方法によって高速溶接を行うときには、ハンピングビードになるのを防止するために、フィラーワイヤを消耗電極アークよりも後方から溶融池に接触させて送給することが重要である。これは、フィラーワイヤを消耗電極アーク中に送給して溶融すると、溶融池の冷却効果が小さくなり、かつ、フィラーワイヤによって溶融池の後半部の盛り上がりを抑えることもできないためにハンピングビードを抑制する効果はほとんどないからである。これに対して、フィラーワイヤをアーク周縁部の溶融池の後半部に接触させて送給し、溶融池の熱によって溶融するようにすれば溶融池が効率よく冷却され、かつ、フィラーワイヤによって溶融池後半部が抑えられてハンピングビードの形成を抑制することができる。以下の説明においては、消耗電極アークのワイヤを溶接ワイヤと記載し、フィラーワイヤとは区別することにする。消耗電極アークを発生させる溶接法としては、炭酸ガスアーク溶接法、マグ溶接法、ミグ溶接法、パルスマグ溶接法、パルスミグ溶接法、消耗電極交流パルスアーク溶接法等が使用される。

２ワイヤ溶接の溶接開始方法は、以下のように行われるのが一般的であった(たとえば、特許文献１参照)。溶接装置に外部から起動信号が入力されると、溶接ワイヤの送給が開始されると共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧が印加される。溶接ワイヤが母材と接触すると、溶接電流が通電して消耗電極アークが発生する。溶接電流が通電を開始すると、溶接トーチは予め教示された溶接線に沿って移動を開始する。また、溶接電流の通電が開始した時点から遅延期間だけ遅延させて、フィラーワイヤの送給が開始される。この遅延期間の間に、消耗電極アークによって溶融池が次第に大きくなる。フィラーワイヤが溶融池と接触すると、フィラーワイヤの先端部は溶融池からの熱によって溶融されて、接触状態が維持されて定常溶接状態へと移行する。フィラーワイヤには電流は通電していない。上記の遅延期間は、消耗電極アークによって形成される溶融池がフィラーワイヤの挿入位置を含む大きさまで成長し、かつ、溶融池の温度がフィラーワイヤを溶融することができる値に達するまでの期間である。この遅延期間は、継手形状、母材の板厚、母材の材質等によって適正値が変化するが、例えば０．４〜１．０秒程度である。

上述した従来技術の溶接開始方法においては、遅延期間中に溶融池が常に適正サイズまで成長することを前提としている。しかし、溶接開始時の母材の温度は、溶接の繰り返しによって変化する。母材の温度が変化すると、遅延期間中の溶融池のサイズが変動する。この結果、フィラーワイヤが溶融池と接触した状態で安定して溶融することができずに、溶接開始部の溶接品質が悪くなるという問題が発生していた。

特開２０１３−７１１４５号公報

そこで、本発明では、溶接開始時の母材の温度が変化しても、フィラーワイヤを安定した溶融状態に移行させることができ、溶接開始部の溶接品質を良好に保つことができる２ワイヤ溶接の溶接開始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、
溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池の後半部にフィラーワイヤを接触させながら送給して行う２ワイヤ溶接の溶接開始方法において、
溶接を開始する際に、前記フィラーワイヤの送給を開始した時点から前記フィラーワイヤが前記溶融池と接触するまでの時間を計測し、この接触するまでの時間に基づいて前記接触時点からの所定期間中の前記フィラーワイヤの送給速度を変化させ、
前記接触するまでの時間が長いほど前記接触時点からの前記所定期間中の前記送給速度を速くし、前記接触するまでの時間が短いほど前記接触時点からの前記所定期間中の前記送給速度を遅くする、
ことを特徴とする２ワイヤ溶接の溶接開始方法である。

請求項２の発明は、前記接触するまでの時間に基づいて前記所定期間を変化させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の２ワイヤ溶接の溶接開始方法である。

請求項３の発明は、前記接触するまでの時間が予め定めた基準時間未満であるときにのみ、前記所定期間中の前記フィラーワイヤの送給速度を変化させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の２ワイヤ溶接の溶接開始方法である。

請求項４の発明は、前記接触するまでの時間が前記基準時間未満であるときにのみ、前記所定期間を変化させる、
ことを特徴とする請求項２に記載の２ワイヤ溶接の溶接開始方法である。

本発明によれば、フィラーワイヤが送給を開始した時点からフィラーワイヤが溶融池と接触するまでの時間によって母材の温度を間接的に検出している。そして、母材の温度の変化に起因する溶融池の成長度合いに適応させて、フィラーワイヤ送給速度を変化させるので、フィラーワイヤの溶融状態を安定化させることができる。このために、本発明では、溶接開始時の母材の温度が変化しても、フィラーワイヤを安定した溶融状態に移行させることができ、溶接開始部の溶接品質を良好に保つことができる。

本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接の溶接開始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２ワイヤ溶接の溶接開始方法を説明するための図１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］
実施の形態１の発明は、溶接を開始する際に、フィラーワイヤの送給を開始した時点からフィラーワイヤが溶融池と接触するまでの時間を計測し、この接触するまでの時間に基づいて接触時点からの所定期間中のフィラーワイヤの送給速度を変化させるものである。

図１は、本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接の溶接開始方法を実施するための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。

本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、溶接電源ＰＳ、ロボット制御装置ＲＣ及びロボット（図示は省略）を備えている。

溶接トーチＷＴは、溶接ワイヤ１ａに給電するための給電チップ４ａ及びフィラーワイヤ１ｂの送給をガイドするための送給チップ４ｂを備えている溶接トーチＷＴの先端からは炭酸ガス、炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス等のシールドガス（図示は省略）が噴出している。溶接トーチＷＴは、ロボット（図示は省略）によって保持されて、ロボット制御装置ＲＣ内に記憶されている作業プログラムに従って、溶接線に沿って移動される。

溶接ワイヤ１ａは、溶接ワイヤ用送給モータＷＭに結合された溶接ワイヤ用送給ロール５ａの回転によって溶接トーチＷＴ内を溶接ワイヤ送給速度Ｗｓで送給されて、母材２との間で消耗電極アーク３ａが発生する。

フィラーワイヤ１ｂは、フィラーワイヤ用送給モータＦＭに結合されたフィラーワイヤ用送給ロール５ｂの回転によって溶接トーチＷＴ内をフィラーワイヤ送給速度Ｆｓで送給される。

溶接ワイヤ１ａと母材２との間には溶接電源ＰＳから給電チップ４ａを介して溶接電圧Ｖwwが印加されており、消耗電極アーク３ａ中を溶接電流Ｉwwが通電している。同図では、溶接方向は左方向となっている。先行する消耗電極アーク３ａによって溶融池２ａが形成される。フィラーワイヤ１ｂは、溶融池２ａの後半部に接触した状態で挿入されており、溶融池２ａからの熱によって溶融される。フィラーワイヤ１ｂは、消耗電極アーク３ａの外部を送給される。これは、上述したように、フィラーワイヤ１ｂが消耗電極アーク３ａによって直接溶融されることを防止するためである。溶接ワイヤ１ａの前進角は、０〜３０°程度の範囲であり、同図では面直（０°）の場合である。フィラーワイヤ１ｂの前進角は、２０〜５０°の範囲である。すなわち、フィラーワイヤ１ｂは、斜め前方方向に挿入されることになる。

接触判別用電源ＰＦは、フィラーワイヤ１ｂと母材２(溶融池２ａ)との間に送給チップ４ｂを介して接触判別電圧Ｖwfを印加する。接触判別電圧Ｖwfは、フィラーワイヤ１ｂと溶融池２ａとの間が非接触状態のときは１０Ｖ程度となり、接触状態のときは略０Ｖとなる。フィラーワイヤ１ｂと溶融池２ａとの間にアークが発生しないように、かつ、フィラーワイヤ１ｂが加熱されないようにフィラーワイヤ１ｂを通電する電流は０．１Ａ未満とする。

溶接電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉwwを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。接触判別電圧検出回路ＶＤは、接触判別電圧Ｖwfを検出して、接触判別電圧検出信号Ｖｄを出力する。

電流通電判別回路ＣＤは、上記の溶接電流検出信号Ｉｄの値から溶接電流Ｉwwが通電していることを判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。

接触判別回路ＳＤは、上記の接触判別電圧検出信号Ｖｄの値からフィラーワイヤ１ｂと溶融池２ａとの間が接触状態にあることを判別してＨｉｇｈレベルとなる接触判別信号Ｓｄを出力する。

時間計測回路ＴＤは、上記のフィラーワイヤ用送給モータＦＭからのフィラーワイヤ送給速度検出信号Ｆsd及び上記の接触判別信号Ｓｄを入力として、フィラーワイヤ送給速度検出信号Ｆsdの値からフィラーワイヤ１ｂの送給が開始されたことを判別し、この送給開始時点から接触判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(接触)に変化するまでの時間を計測して、時間計測信号Ｔｄとして出力する。

初期フィラーワイヤ送給速度設定回路ＦＩＲは、上記の時間計測信号Ｔｄを入力とする予め定めた初期フィラーワイヤ送給速度算出関数によって初期フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆirを算出して出力する。この関数については、図２で詳述する。

初期期間設定回路ＴＩＲは、上記の時間計測信号Ｔｄを入力とする予め定めた初期期間算出関数によって初期期間設定信号Ｔirを算出して出力する。この初期期間算出関数については、図２で詳述する。

フィラーワイヤ送給速度設定回路ＦＲは、上記の電流通電判別信号Ｃｄ、上記の接触判別信号Ｓｄ、上記の初期期間設定信号Ｔir及び上記の初期フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆirを入力として、以下の処理を行い、フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒを出力する。以下の処理において、スローダウンフィラーワイヤ送給速度＜初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉ≦定常フィラーワイヤ送給速度である。
１）電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から予め定めた遅延期間Ｔｔが経過すると、フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒの値を０から予め定めたスローダウンフィラーワイヤ送給速度に切り換えて出力する。
２）その後に、接触判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、その時点から初期期間設定信号Ｔirによって定まる初期期間Ｔｉ中は、フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒの値を初期フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆirによって定まる初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉに切り換えて出力する。
３）初期期間Ｔｉが終了すると、フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒの値を予め定めた定常フィラーワイヤ送給速度に切り換えて出力する。

溶接ワイヤ送給速度設定回路ＷＲは、後述するロボット制御装置ＲＣからの起動信号Ｏｎ及び上記の電流通電判別信号Ｃｄを入力として、以下の処理を行い、溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒを出力する。以下の処理において、スローダウン溶接ワイヤ送給速度＜定常溶接ワイヤ送給速度である。
１）起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化すると、溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒの値を０から予め定めたスローダウン溶接ワイヤ送給速度に切り換えて出力する。
２）電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒの値を予め定めた定常溶接ワイヤ送給速度に切り換えて出力する。

溶接電源ＰＳは、後述するロボット制御装置ＲＣからの起動信号Ｏｎ、上記の溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒ及び上記のフィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接電圧Ｖww及び溶接電流Ｉwwを出力して消耗電極アーク３ａを発生させると共に、溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒに相当する溶接ワイヤ送給速度Ｗｓで溶接ワイヤ１ａを送給するための溶接ワイヤ送給制御信号Ｗｃを上記の溶接ワイヤ用送給モータＷＭに出力し、フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒに相当するフィラーワイヤ送給速度Ｆｓでフィラーワイヤ１ｂを送給するためのフィラーワイヤ送給制御信号Ｆｃを上記のフィラーワイヤ用送給モータＦＭに出力する。溶接電源ＰＳは、定電圧特性を有している。溶接電源ＰＳの動作については、図２で詳述する。

ロボット制御装置ＲＣは、予め教示された作業プログラムに従って溶接トーチＷＴを溶接開始位置に移動させて停止し、溶接電源ＰＳに対して起動信号Ｏｎを出力して溶接を開始し、上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになると溶接トーチＷＴを溶接線に沿って移動させる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接の溶接開始方法を説明するための上述した図１における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は起動信号Ｏｎの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖwwの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉwwの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接ワイヤ送給速度Ｗｓの時間変化を示し、同図（Ｅ）はフィラーワイヤ送給速度Ｆｓの時間変化を示し、同図（Ｆ）は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図（Ｇ）は接触判別信号Ｓｄの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１において、溶接トーチＷＴが溶接開始位置に移動して停止すると、同図(Ａ)に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルとなり、溶接電源ＰＳが起動され、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖwwは最大電圧値の無負荷電圧となる。同時に、同図(Ｄ)に示すように、溶接ワイヤ送給速度Ｗｓは予め定めた低速のスローダウン溶接ワイヤ送給速度になり、溶接ワイヤ１ａは送給を開始する。同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉwwは通電しておらず、同図(Ｅ)に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓは０であり、フィラーワイヤ１ｂの送給は停止している。

時刻ｔ２において、溶接ワイヤ１ａが母材２と接触して消耗電極アーク３ａが発生すると、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖwwは数十Ｖのアーク電圧値に減少し、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉwwが通電し、同図(Ｆ)に示すように、電流通電判別信号ＣｄはＨｉｇｈレベルとなる。これに応動して、同図(Ｄ)に示すように、溶接ワイヤ送給速度Ｗｓは予め定めた定常溶接ワイヤ送給速度に加速し、溶接トーチＷＴは溶接線に沿って移動を開始する。

同図(Ｆ)に示す電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化した時刻ｔ２から予め定めた遅延期間Ｔｔが経過した時刻ｔ３において、同図(Ｅ)に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓは予め定めたスローダウンフィラーワイヤ送給速度になり、フィラーワイヤ１ｂの送給が開始される。

時刻ｔ４において、フィラーワイヤ１ｂが溶融池２ａに接触すると、同図(Ｇ)に示すように、接触判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、時間計測回路ＴＤは、フィラーワイヤ１ｂが送給を開始した時刻ｔ３から接触判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化する時刻ｔ４までの時間を計測して、時間計測信号Ｔｄとして出力する。この時間計測信号Ｔｄが初期期間設定回路ＴＩＲ及び初期フィラーワイヤ送給速度設定回路ＦＩＲに入力されて、初期期間設定信号Ｔir及び初期フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆirが算出される。そして、時刻ｔ４〜ｔ５の初期期間設定信号Ｔirによって定まる初期期間Ｔｉ中は、同図(Ｅ)に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓは初期フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆirによって定まる初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉに加速される。

時刻ｔ５において初期期間Ｔｉが終了すると、同図(Ｅ)に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓは予め定めた定常フィラーワイヤ送給速度に加速される。これ以降の期間は、定常溶接期間となる。

フィラーワイヤ１ｂが送給を開始してから溶融池２ａに接触するまでの時間である時間計測信号Ｔｄの値によって、以下のことを判別することができる。時間計測信号Ｔｄが短いほど、母材２の温度が低いために溶融池２ａは急峻な凸形状で成長しており、溶融池２ａの表面積のサイズの成長が緩やかである。このような場合には、初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉを遅くする必要がある。これは、溶融池２ａの成長が緩やかであるので、初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉを遅くしないと、溶融不良状態となるおそれがあるためである。これに加えて、初期期間Ｔｉも長くしても良い。

逆に、時間計測信号Ｔｄが長いほど、母材２の温度が高いために溶融池２ａは緩やかな凸形状で成長しており、溶融池２ａの表面積のサイズの成長が急速である。このような場合には、初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉを速くする必要がある。これは、溶融池２ａの成長が急速であるので、初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉを早くしないと、フィラーワイヤ１ｂの溶融が急速に進行して非接触状態と接触状態とを反復する状態となり、不安定な溶融状態となるためである。これに加えて、初期期間Ｔｉも短くしても良い。

したがって、図１の初期フィラーワイヤ送給速度設定回路ＦＩＲに内蔵されている初期フィラーワイヤ送給速度算出関数は、時間計測信号Ｔｄが大きいほど初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉが大きくなる比例関係の関数となる。初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉは、スローダウンフィラーワイヤ送給速度と定常フィラーワイヤ送給速度とのあいだの範囲で変化する。

また、図１の初期期間設定回路ＴＩＲに内蔵されている初期期間算出関数は、時間計測信号Ｔｄが大きいほど初期期間Ｔｉが小さくなる反比例関係の関数となる。初期期間Ｔｉの変化範囲は、０．１〜１．０秒程度である。

上記において、時間計測信号Ｔｄが短いほど溶融不良が発生しやすくなり、溶接不良となる。これに対して、時間計測信号Ｔｄが長いほど溶融状態が不安定になるが、溶接不良までには至らず、溶接品質が悪くなる程度である。したがって、時間計測信号Ｔｄが基準時間未満であるときにのみ、初期フィラーワイヤ送給速度Ｆｉ及び／又は初期期間Ｔｉを変化させるようにしても良い。基準時間は、溶融不良が生じない時間計測信号Ｔｄの最小値を実験によって求めて、その値に基づいて設定される。

上述した実施の形態１によれば、溶接を開始する際に、フィラーワイヤの送給を開始した時点からフィラーワイヤが溶融池と接触するまでの時間を計測し、この接触するまでの時間に基づいて接触時点からの所定期間中のフィラーワイヤの送給速度を変化させる。これにより、接触するまでの時間によって母材の温度を間接的に検出している。そして、母材の温度の変化に起因する溶融池の成長度合いに適応させて、フィラーワイヤ送給速度を変化させるので、フィラーワイヤの溶融状態を安定化させることができる。このために、本実施の形態では、溶接開始時の母材の温度が変化しても、フィラーワイヤを安定した溶融状態に移行させることができ、溶接開始部の溶接品質を良好に保つことができる。

１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ フィラーワイヤ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ａ 消耗電極アーク
４ａ 給電チップ
４ｂ 送給チップ
５ａ 溶接ワイヤ用送給ロール
５ｂ フィラーワイヤ用送給ロール
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
Ｆｃ フィラーワイヤ送給制御信号
Ｆｉ 初期フィラーワイヤ送給速度
ＦＩＲ 初期フィラーワイヤ送給速度設定回路
Ｆir 初期フィラーワイヤ送給速度設定信号
ＦＭ フィラーワイヤ用送給モータ
ＦＲ フィラーワイヤ送給速度設定回路
Ｆｒ フィラーワイヤ送給速度設定信号
Ｆｓ フィラーワイヤ送給速度
Ｆsd フィラーワイヤ送給速度検出信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
Ｉww 溶接電流
Ｏｎ 起動信号
ＰＦ 接触判別用電源
ＰＳ 溶接電源
ＲＣ ロボット制御装置
ＳＤ 接触判別回路
Ｓｄ 接触判別信号
ＴＤ 時間計測回路
Ｔｄ 時間計測信号
Ｔｉ 初期期間
ＴＩＲ 初期期間設定回路
Ｔir 初期期間設定信号
ＶＤ 接触判別電圧検出回路
Ｖｄ 接触判別電圧検出信号
Ｖwf 接触判別電圧
Ｖww 溶接電圧
Ｗｃ 溶接ワイヤ送給制御信号
ＷＭ 溶接ワイヤ用送給モータ
ＷＲ 溶接ワイヤ送給速度設定回路
Ｗｒ 溶接ワイヤ送給速度設定信号
Ｗｓ 溶接ワイヤ送給速度
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (4)

1. 溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池の後半部にフィラーワイヤを接触させながら送給して行う２ワイヤ溶接の溶接開始方法において、
   溶接を開始する際に、前記フィラーワイヤの送給を開始した時点から前記フィラーワイヤが前記溶融池と接触するまでの時間を計測し、この接触するまでの時間に基づいて前記接触時点からの所定期間中の前記フィラーワイヤの送給速度を変化させ、
   前記接触するまでの時間が長いほど前記接触時点からの前記所定期間中の前記送給速度を速くし、前記接触するまでの時間が短いほど前記接触時点からの前記所定期間中の前記送給速度を遅くする、
   ことを特徴とする２ワイヤ溶接の溶接開始方法。
2. 前記接触するまでの時間に基づいて前記所定期間を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の２ワイヤ溶接の溶接開始方法。
3. 前記接触するまでの時間が予め定めた基準時間未満であるときにのみ、前記所定期間中の前記フィラーワイヤの送給速度を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の２ワイヤ溶接の溶接開始方法。
4. 前記接触するまでの時間が前記基準時間未満であるときにのみ、前記所定期間を変化させる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の２ワイヤ溶接の溶接開始方法。

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