JPWO2015115603A1 - スポット溶接継手及びスポット溶接方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、スポット溶接金属の破壊靭性を高めて、スポット溶接継手強度を向上したスポット溶接継手、及びスポット溶接方法を提供することを目的とする。本発明では、通電により溶融部を形成する溶融部形成工程と、溶融部形成工程に続いて、溶融部形成工程で通電する電流よりも低い電流を通電し溶融部を凝固させる凝固工程とを含み、凝固工程において、溶融部に電磁振動を印加し、電磁振動の周波数ｆＶ、溶融部が凝固する際の凝固速度νＳ、及び溶融部が凝固する際のデンドライト（３１ａ）のアーム間隔λＤが、０．２≦νＳ／（λＤ・ｆＶ）≦４．０を満たすスポット溶接方法とした。

Description

本発明は、自動車分野等で使用する引張強度７５０〜２５００ＭＰａの高強度鋼板、特に、引張強度９８０ＭＰａ以上の高強度鋼板を重ね合せてスポット溶接する溶接方法と、該溶接方法で形成されるスポット溶接継手に関するものである。

近年、自動車分野では、低燃費化やＣＯ₂排出量の削減のための車体の軽量化や、衝突安全性の向上のため、車体や部品に高強度鋼板が使用されている。車体の組立や部品の取付け等には、主として、スポット溶接が使われている。高強度鋼板のスポット溶接においては、溶接継手の強度が問題となる。

鋼板を重ね合せ、スポット溶接して形成した継手（以下「スポット溶接継手」という）において、引張強度は重要な特性である。通常、スポット溶接継手の機械的特性は、鋼板をせん断する方向に引張荷重を負荷して測定する引張せん断力（ＴＳＳ）と、鋼板を剥離する方向に引張荷重を負荷して測定する十字引張力（ＣＴＳ）で評価する。引張せん断力と十字引張力の測定方法は、ＪＩＳ Ｚ ３１３６及びＪＩＳ Ｚ ３１３７に規定されている。

引張強度が２７０〜６００ＭＰａの鋼板において、スポット溶接継手のＣＴＳは、鋼板強度の増加に伴い増加するので、継手強度に関する問題は生じにくい。しかし、引張強度が７５０ＭＰａ以上の鋼板においては、鋼板の引張強度が増加しても、ＣＴＳは、増加しないか、又は、逆に減少する。

一般に、高強度鋼板の場合、変形能の低下により溶接部への応力集中が高まる。また、合金元素が増えることにより溶接部に焼きが入りやすくなり、溶接部の破壊靱性が低下する。その結果、ＣＴＳが低下する。このため、７５０ＭＰａ以上の高強度鋼板のスポット溶接継手には、ＣＴＳの向上が求められている。

高強度鋼板のスポット溶接継手において強度を確保する方法として、種々の方法が提案されている。

特許文献１は、スポット溶接の本通電の後に、加圧力を付したまま通電の休止と再通電を繰り返し、その後ホールドすることにより、ナゲット内の組織を微細化し、接合部の破断強度を向上させる溶接方法を開示している。

特許文献１におけるナゲット内の組織とは最終組織のことであり、凝固組織ではない。この方法では、再通電により偏析は緩和されるものの、凝固組織は微細化されない。その結果、十分な破壊靭性を得ることができない。また、再通電の繰り返しとホールドが必要なため、溶接に長時間を要し、短時間での溶接であるスポット溶接の利点がいかせない。

特許文献２は、本通電の終了後、一定時間が経過した後に、テンパー通電を行い、スポット溶接継手（ナゲット部及び熱影響部）を焼鈍して、硬さを低下させる方法を開示している。

この方法では、テンパー通電を行う前に、マルテンサイト変態をほぼ完了させるために、長い冷却時間が必要になり、短時間での溶接であるスポット溶接の利点がいかせないという問題がある。

また、高強度鋼板のスポット溶接継手において強度を確保する方法として、溶接後に、別の加熱手段で溶接部を加熱する方法が提案されている。

特許文献３は、溶接後に、溶接部を高周波で加熱して焼戻し処理を行う方法を開示している。

この方法では、溶接後に別工程が必要となり作業手順が煩雑になり、また、高周波を利用するための特殊な装置が必要となる。

特許文献４は、本溶接によりナゲットを形成した後に、本溶接電流以上の電流を後通電する方法が開示している。

この方法では、後通電時間を長くすると、ナゲット径が拡大し、また、ナゲット組織が通常の溶接部の組織と同じになる。

特許文献５には、引張強度が４４０ＭＰａ以上の鋼板をスポット溶接する際、鋼板の成分組成を、Ｃ×Ｐ≦０．００２５、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下に規制し、溶接後、溶接部に３００℃×２０分程度の熱処理を施して、継手の剥離方向強度を高める方法を開示している。

この方法では、適用可能な鋼板が限定され、また、溶接に長時間を要するので生産性が低い。

特許文献６は、ナゲット外層域のミクロ組織と、ミクロ組織中の炭化物の平均粒径と個数密度を規定した高強度鋼板（引張強度：７５０〜１８５０ＭＰａ、炭素当量Ｃeq：０．２２〜０．５５質量％）のスポット溶接継手を開示している。

特許文献６は炭化物に係る規定を開示するのみで、この規定のみでは、信頼性の高い継手強度を得ることはできない。

特許文献７は、スポット溶接方法において、溶接予定箇所が溶融状態から凝固組織に移行しているとき、溶接予定箇所に機械的振動を与えて、溶接部の組織を微細化する方法を開示している。

この方法では、機械的振動の溶融部への伝播が少なく、効果を得るには装置が大規模になる。

特開２０１２−１８７６１５号公報 特開２００２−１０３０４８号公報 特開２００９−１２５８０１号公報 特開２０１０−１１５７０６号公報 特開２０１０−０５９４５１号公報 国際特許公開第２０１１／０２５０１５号 特開２０１１−１９４４１１号公報

本発明は、スポット溶接金属の破壊靱性を高めて、スポット溶接継手強度を向上したスポット溶接継手、及びスポット溶接方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、前記課題を解決する手法について鋭意検討した。その結果、本発明者らは、溶融部の凝固過程において、溶融部に、所要の周波数の電磁振動を負荷すると、凝固組織が微細化し、スポット溶接金属の破壊靱性が著しく向上することを見出した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１）凝固組織の結晶粒を３７５個以上、ナゲット端部の０．５ｍｍ×０．５ｍｍの領域に含むことを特徴とするスポット溶接継手。

（２）十字引張強さＣＴＳと引張せん断強さＴＳＳの比、ＣＴＳ／ＴＳＳが０．３３以上であることを特徴とする前記（１）のスポット溶接継手。

（３）通電により溶融部を形成する溶融部形成工程と、上記溶融部形成工程に続いて、上記溶融部形成工程で通電する電流よりも低い電流を通電し上記溶融部を凝固させる凝固工程とを含み、上記凝固工程において、上記溶融部に電磁振動を印加し、上記電気振動電磁振動の周波数ｆ_V、前記溶融部が凝固する際の凝固速度ν_S、及び前記溶融部が凝固する際のデンドライトのアーム間隔λ_Dが、０．２≦ν_S／（λ_D・ｆ_V）≦４．０を満たすことを特徴とするスポット溶接方法。

本発明によれば、スポット溶接部の靱性を著しく高めることができるので、信頼性の高いスポット溶接継手を提供することができる。

スポット溶接時の電流パターンを模式的に示す図である。 凝固しつつある溶融部に電磁振動を負荷する態様を模式的に示す図である。 デンドライトの成長と分断の態様を模式的に示す図である。（ａ）は、デンドライトの成長態様を示し、（ｂ）は、デンドライトの分断態様を示す。 凝固組織及び最終組織の観察の概念を示す図である。 通常の凝固により形成したスポット溶接継手のナゲット端部の凝固組織と、本発明により形成したスポット溶接継手のナゲット端部の凝固組織の比較を示す図であり、（ａ）が通常凝固、（ｂ）が本発明によるものである。 通常の凝固により形成したスポット溶接継手のナゲット端部の凝固組織と、本発明により形成したスポット溶接継手のナゲット端部の凝固組織の比較を示す図であり、（ａ）が通常凝固、（ｂ）が本発明によるものである。 本発明における凝固組織観察を説明する図である。

はじめに、本発明の溶接方法について説明する。

［溶融部形成工程］
まず、重ねあわせた鋼板の両側から通電し、必要なナゲット径を確保するための溶融部を形成する。この溶融部形成のための通電は、凝固が始りさえしなければ、どのように選んでもよい。多段通電であってもよい。また、電流値は一定でなくともよく、サイン波やパルス波でもよい。

［凝固工程］
必要な溶融径の溶融部が形成できたら、それに続いて、溶融径を維持する電流値より低い電流値を通電し、溶融部を凝固させながら電磁振動を印加する。

図１に、本発明溶接方法における最も単純な場合の、スポット溶接時の電流パターンを模式的に示す。本発明溶接方法においては、ｔ_W（＝ｔ₂−ｔ₁）の時間、電流値Ｉ_Wで溶融部を形成した後、続けて、溶融部の溶融径を保持する電流より低い電流値Ｉ_Vでｔ_V（＝ｔ₃−ｔ₂）の時間、通電しながら溶融部を凝固させる。

溶融部形成工程での通電（以下「本通電」という）の電流は、特に制限されない。商用周波数の交流でも、直流でも構わない。凝固工程で通電する電流Ｉ_Vの値は特に限定するものではないが、凝固を早く進めるために溶融部形成の電流に対して低く設定する必要があり、Ｉ_V ²／Ｉ_W ²≦0.5を満たす程度の値が目安である。電流値Ｉ_Vは一定である必要はない。ただし、特に複雑な波形にする意味はなく、一定か、単調減少とするのが好ましい。

時間ｔ₂からｔ₃の間の凝固工程において、凝固しつつある溶融部に電磁振動を印加する。図２に、凝固しつつある溶融部に電磁振動を印加する態様を模式的に示す。鋼板２１aと鋼板２１bを重ねて、電流値Ｉ_wで、時間ｔ_wの間、本通電を行い（図１、参照）、溶融部２２を形成する。ｔ_w経過後の時間ｔ₂で、電流値をＩ_vに下げ（図１、参照）、溶融部の凝固を開始させる。

溶融部が凝固する際、通常の溶接方法によれば、溶融部の周囲から溶融部の中心部に向かってデンドライトが成長していき凝固が完了する。本発明の溶接方法では、凝固過程で、デンドライトの成長方向２３に対し電磁振動２４を印加して、デンドライトの成長を分断し、溶融部の凝固組織を細粒化する。

ここで、凝固組織とは、凝固過程で単一の結晶粒として生成した構造を指す。たとえばデンドライト凝固であれば、デンドライト１本が凝固組織の一単位であり、等軸的な凝固であれば、１つの凝固時の結晶粒が凝固組織の一単位である。

電磁振動の周波数は、デンドライトを分断し得る限りで、特定の周波数に限定されないが、デンドライトの成長を確実に分断し、凝固組織をより細粒にするためには、下記式（１）で定義する指標Ａが下記式（２）を満たす周波数とする必要がある。

Ａ＝ν_S／（λ_D・ｆ_V） ・・・（１）
ｆ_V：電磁振動の周波数
ν_S：凝固速度（凝固界面の進行速度）
λ_D：デンドライトのアーム間隔
０．２≦Ａ≦４．０ ・・・（２）

凝固速度、デンドライトのアーム間隔は、事前の実験により得られる。すなわち、実際に溶接する種類の鋼板を事前に、溶接部形成工程、凝固工程において通電する電流値でスポット溶接を行い、凝固速度、デンドライトのアーム間隔を測定する。一度測定した後は、同種の鋼板を同じ条件でスポット溶接する際は、同じ値を用いればよい。より具体的な手順は以下のとおりである。

はじめに、板組、鋼種が決定され、本通電の条件を決定する。次に、凝固工程における電流値が決定する。この電流値は、上述のとおり、特に限定はされない。

次に、凝固速度を測定する。実際に溶接する板組、鋼種を用いて、決定された凝固工程における電流値で、電流を流す時間を複数水準としたサンプルを作成する。サンプル断面の凝固組織を観察し、デンドライトのアーム間隔を求める。また、凝固組織が柱状晶から等軸晶となる位置、あるいは柱状晶の太さが変化する位置が、電流を止めた時刻の固液界面位置であるので、凝固速度を計算で求める。

たとえば、本通電後に２５ｍｓｅｃに間通電した場合に、断面で、溶融境界から０．５ｍｍの位置で凝固組織が変化しているとすれば、凝固組織は２０ｍｍ／ｓｅｃと求められる。

凝固速度は、溶接条件、鋼板の組合せ、被溶接材の寸法等に依存するが、おおよそ、（１０〜５０）×１０^-3ｍ／秒である。デンドライトのアーム間隔は、溶接条件、鋼板の組合せ、被溶接材の寸法、電磁振動による入熱等に依存するが、おおよそ、５〜３０×１０^-6ｍである。

電磁振動の周波数ｆ_vは、電源周波数の２倍となる。たとえば、周波数を５００〜１０００Ｈzの交流電流を流せば、電磁振動の周波数ｆ_Vは１０００〜２０００Ｈz（＝（５００〜１０００Ｈz）×２）となる。

たとえば、凝固速度が２０×１０^-3ｍ／秒の場合に周波数を５００〜１０００Ｈzの交流電流を流せば、電磁振動が一回起きる周期Ｔv（＝１／ｆ_V）は（０．５〜１．０）×１０^-3秒となり、電磁振動が１回起きる毎に、凝固界面は（１０〜２０）×１０^-6ｍで進行することとなる。すなわち、電磁振動による凝固の乱れが、上述のデンドライトのアーム間隔にほぼ等しい位置で起きる。その結果、凝固組織は、等軸晶状の凝固組織となる。

図３に、デンドライトの成長と分断の態様を模式的に示す。図３（ａ）に、デンドライトの成長態様を示し、図３（ｂ）に、デンドライトの分断態様を示す。

通常の方法では、図３（ａ）に示すように、デンドライト３１ａがアーム間隔λ_Dを維持して、凝固速度ν_Sで成長していき、溶融部の凝固が完了する。

本発明においては、デンドライトが形成される凝固過程において、電磁振動と電磁振動時の通電で発生する熱によって凝固の進行を乱し、デンドライトの成長を分断し、図３（ｂ）に示すような、等軸晶状の凝固組織が得る。

アーム間隔λ_D、凝固速度ν_Sで成長するデンドライトに、上記式（２）を満たす周波数ｆ_Vの電磁振動を印加すると、凝固過程の溶融部の内部で、電磁振動と電磁振動時の通電で発生する熱により、凝固過程における凝固の乱れが、電磁振動周期をＴ_V（＝１／ｆ_V）とすると、ν_S・Ｔ_Vの位置間隔で生じる。

凝固工程において、溶融部に定期的に凝固の乱れが生じることにより、図３（ｂ）に示すように、デンドライトの成長が分断されて、細粒３１ｂとなり、溶融部の凝固組織を等軸晶状の凝固組織とすることができる。

本発明で定義する指標Ａは、デンドライトの分断の程度を表示する指標であり、指標Ａが、上記式（２）を満たせば、溶融部において所望の凝固組織を得ることができる。

指標Ａが１の場合、凝固組織は、アーム間隔λ_Dのデンドライトを、アーム間隔λ_Dで分断した形態の等軸晶組織となり、破壊靭性が向上する。ただし、本発明においては、凝固組織の細粒化で、溶接継手の靱性が向上すればよいので、必ずしも指標Ａを１とする必要はない。

微細化の観点からすると、指標Ａは小さい方が好ましい。しかしながら、電磁振動のための凝固時の電流値を上げずに、指標Ａを０．２未満にするには、電磁振動周波数を上げなければならない。電磁振動周波数を上げるには、電磁振動のための凝固時の通電の周波数を大きくする必要があり、電磁振動のための通電時のインダクタンス損失が大きくなり、電源が大容量化する。したがって、指標Ａは０．２以上とする。好ましくは０．４以上である。

指標Ａが４．０を超えると、凝固過程で凝固を乱す間隔が広くなり、凝固組織が柱状化し、靭性向上効果が小さくなる。したがって、指標Ａは４．０以下とする。好ましくは３．０以下である。

指標Ａが４．０以下で形成された本発明溶接継手において、少なくともナゲット端部の凝固組織では非常に長い柱状組織でなく、等軸晶状組織（等軸晶組織を含む）になる。

次に、本発明のスポット溶接継手の組織について説明する。

本発明のスポット溶接継手は、凝固組織の結晶粒を３７５個以上、ナゲット端部の０．５ｍｍ×０．５ｍｍの領域に含む。応力集中するナゲットの端部において凝固組織の結晶粒が３７５個以上であれば、スポット溶接継手は高い破壊靭性を備えることができる。

ナゲット端部の０．５ｍｍ×０．５ｍｍの領域における凝固組織の結晶粒が３７５個未満であると、凝固組織の等軸晶状が達成されず、溶接金属の靭性向上効果が小さく、溶接継手の強度が向上しない。好ましい結晶粒の個数は、５００個以上である。

凝固完了後に大きなひずみが入らなかった金属は、凝固時に液相に濃化しやすい元素が濃化し、凝固後にその濃淡が残る。そのため、元素の濃度分布を観察すれば、濃化する元素の薄い一固まりが凝固組織の一単位に対応することを確認できる。鉄鋼のように凝固後に固相で変態が起こる金属では、最終組織の結晶粒の一単位と凝固組織の一単位は別のものである。

凝固組織を観察する方法としては、たとえば、ピクリン酸でエッチングして組織を光学顕微鏡で観察する方法がある。ピクリン酸でエッチングすると、偏析元素（特にＰ）が濃化している部分が優先的に腐食される。また、Ｐは凝固時に偏析する元素である。したがって、凝固時の偏析元素の濃度分布がわかるため、凝固組織を観察できる。

他の方法としては、ＥＰＭＡを用いる方法がある。ＥＰＭＡによれば、各元素の分布が測定できるため、凝固組織を観察できる。

なお、最終組織を観察する方法としては、たとえば、ナイタールエッチングによる組織観察や、ＥＢＳＤによる測定があげられる。

図４は、凝固組織、及び最終組織の観察の概念を示す図である。図４に示すとおり、同じ金属４１であっても、エッチングの仕方によって、観察される組織は異なる。

図５は、通常の凝固により形成したスポット溶接継手のナゲット端部の凝固組織と、本発明により形成したスポット溶接継手のナゲット端部の凝固組織の比較であり（ａ）が通常凝固、（ｂ）が本発明によるものである。（ａ）はデンドライトが形成され偏析が強いのに対し、（ｂ）は組織が微細化され、偏析が弱くなっている。

図６は、通常の凝固により形成したスポット溶接継手のナゲット端部の凝固組織と、凝固後に後通電を行った後の凝固組織を示す図であり、（ａ）が凝固後、（ｂ）が後通電後の組織である。後通電により凝固偏析が緩和されるが、凝固時に形成された凝固組織（デンドライト）そのものが微細化されることはない。

図７は、本発明における凝固組織観察を説明する図である。凝固組織を観察するためにメタルフローエッチングで凝固組織を現出させ、ナゲット端部の凝固組織の個数を数える。本発明においては、０．５ｍｍ×０．５ｍｍの領域に凝固組織の一部でも含まれれば一個と数える。

本発明溶接継手は、ナゲット端部の０．５ｍｍ×０．５ｍｍの領域における凝固組織の結晶粒を３７５個以上とすることにより、溶接金属の破壊靭性が向上し、継手の機械特性、特に、継手強度が向上する。

継手強度については、十字引張強さＣＴＳと引張せん断強さＴＳＳが重要な指標である。しかしながら、スポット溶接継手の品質を確保するためにはＴＳＳだけ高く、ＣＴＳが低くてはならない。その理由は、構造物には複雑な負荷がかかるため、ＴＳＳに対するＣＴＳが低いとわずかな剥離負荷で破断が生じるためである。そのため、溶接部の機械特性を客観的に評価するため、下記式（４）で定義する指標Ｚを採用した。
Ｚ＝ＣＴＳ／ＴＳＳ ・・・（４）
ＣＴＳ：十字引張強さ
ＴＳＳ：引張せん断強さ

溶接継手は板厚や溶接金属の大きさに依存するが、指標ＺではＴＳＳとＣＴＳそれぞれに板厚や溶接金属の大きさの効果が含まれるため、指標Ｚは溶接金属そのものの特性を評価する指標として適当である。

Ｚが０．３３未満であると、継手に対する負荷方向による耐力の差が大きすぎて、部材の特性が不安定になる。すなわち、ほんのわずかの剥離負荷で継手が破断する。したがって、Ｚは０．３３以上が好ましい。より好ましくは０．４以上である。Ｚの上限は特に限定しない。

次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得る。

［実施例１］
表１に示す鋼板を用意し、表２に示す組み合せで、スポット溶接を行った。溶接条件を、表２に併せて示す。

ここで、炭素当量とは、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、及びＳの含有量（質量％）を用いて、下記の式で求められる値である。

炭素当量＝Ｃ[質量％]＋Ｓｉ[質量％]／３０＋Ｍｎ[質量％]／２０
＋Ｐ[質量％]×４＋Ｓ[質量％]×４

表２中の「Ａ」は、凝固工程における電磁振動の周波数をｆ_V、凝固速度をν_S、デンドライトのアーム間隔をλ_Dとして、Ａ＝ν_S／（λ_D・ｆ_V）で求められる値である。凝固速度、デンドライトのアーム間隔は、使用する板組、鋼種を用いて、事前に、前述したように実験的に求めた値を使用した。

溶接継手のナゲット端部をピクリン酸でエッチングして、凝固組織を光学顕微鏡で観察し、ナゲット端の０．５ｍｍ×０．５ｍｍの領域の結晶粒の個数を測定した。また、溶接継手の十字引張力ＣＴＳをＪＩＳ Ｚ ３１３７に従って、引張せん断力ＴＳＳをＪＩＳ Ｚ ３１３６に従って、それぞれ測定した。結果を表３に示す。表３中の「Ｚ」は、Ｚ＝ＣＳＳ／ＴＳＳで求められる値である。

前述したように、本発明によれば、スポット溶接継手強度を著しく高めることができるので、信頼性の高いスポット溶接継手を提供することができる。よって、本発明は、構造物の組立てに溶接を用いる産業、例えば、自動車産業において利用可能性が高いものである。

２１ａ、２１ｂ 鋼板
２２ 溶融部
２３ デンドライトの成長方向
２４ 電磁振動
３１ａ デンドライト
３１ｂ 細粒
４１ 金属
４２ デンドライト
４３ 相１
４４ 相２
７１ 鋼板
７２ ナゲット
７３ 凝固組織

（１）通電により溶融部を形成する溶融部形成工程と、上記溶融部形成工程に続いて、上記溶融部形成工程で通電する電流よりも低い電流を通電し上記溶融部を凝固させる凝固工程とを含み、上記凝固工程において、上記溶融部に電磁振動を印加し、上記電気振動電磁振動の周波数ｆ_V、前記溶融部が凝固する際の凝固速度ν_S、及び前記溶融部が凝固する際のデンドライトのアーム間隔λ_Dが、０．２≦ν_S／（λ_D・ｆ_V）≦４．０を満たすことを特徴とするスポット溶接方法。

Claims (3)

1. 凝固組織の結晶粒を３７５個以上、ナゲット端部の０．５ｍｍ×０．５ｍｍの領域に含むことを特徴とするスポット溶接継手。
2. 十字引張強さＣＴＳと引張せん断強さＴＳＳの比、ＣＴＳ／ＴＳＳが０．３３以上であることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接継手。
3. 通電により溶融部を形成する溶融部形成工程と、
   上記溶融部形成工程に続いて、上記溶融部形成工程で通電する電流よりも低い電流を通電し上記溶融部を凝固させる凝固工程と
   を含み、
   上記凝固工程において、上記溶融部に電磁振動を印加し、
   上記電気振動電磁振動の周波数ｆ_V、上記溶融部が凝固する際の凝固速度ν_S、及び上記溶融部が凝固する際のデンドライトのアーム間隔λ_Dが、０．２≦ν_S／（λ_D・ｆ_V）≦４．０を満たす
   ことを特徴とするスポット溶接方法。

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