KR100865337B1 - 점화플러그 전극팁 용접방법 - Google Patents

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Abstract

점화플러그의 귀금속팁을 점화플러그의 전극에 용접하는 방법이 개시된다. 용접방법은 레이저 용접의 시간에 따른 레이저빔출력 파형에 있어서, 중간부가 양끝단부에 비해 출력이 낮게 형성되도록 한다. 또한, 상기 레이저 용접의 시간에 따른 레이저빔출력 파형은, 상기 레이저빔 출력이 점진적으로 증가하는 상승부, 상기 상승부 이후에 상기 레이저빔 출력이 일정하게 유지되는 출력 유지부 및 상기 출력유지부 이후에 출력이 점진적으로 감소하는 하강부를 를 포함하는 사다리꼴 파형으로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 레이저 용접의 시간에 따른 레이저빔출력 파형은, 상기 레이저빔 출력이 점진적으로 증가하는 상승부 및 상기 상승부 이후에 출력이 점진적으로 감소하는 하강부를 포함하는 삼각형 파형으로 형성될 수도 있다. 따라서, 전극팁을 중심전극 혹은 접지전극에 견고하게 부착할 수 있다.
점화플러그, 전극팁, 용접

Description

점화플러그 전극팁 용접방법{Method for welding tip of electrode in spark plug}
본 발명은 점화플러그 전극팁 용접방법으로서, 자세하게는 점화플러그의 귀금속 전극팁을 전극에 결합하기 위한 용접방법에 관한 것이다.
점화플러그는 스파크를 일으켜 엔진에서 연소를 일으키는 부품이다. 스파크를 일으키기 위해서 일정한 간격을 두고 중심전극과 접지전극이 배치된다. 중심전극 및 접지전극에는 엔진 연소의 효율을 증대시키기 위해서 전극팁이 결합된다.
중심전극 및 접지전극은 일반적으로 니켈(Ni)이 많이 사용되고 있으며, 이에 결합되는 전극팁에는 이리듐(Ir)과 같은 백금족 귀금속들 혹은 이들 귀금속 합금이 사용되고 있다. 중심전극 및 접지전극과 전극팁은 용접에 의해 고정되며, 용접의 방법으로는 레이저 용접, 전자빔 용접, 저항 용접 등이 사용되고 있다.
최근들어 전극팁과 중심전극을 결합하는 방법으로 특히 레이저 용접을 이용하는 것이 검토되고 있다. 레이저 용접은 입열량이 적고, 열변형이 작으며, 정밀용접이 가능하다는 장점이 있는 반면 용접공정변수에 민감하다는 단점이 있다. 레이저 용접법은 레이저 빛에 의해 고 밀도 에너지를 중심전극 또는 접지전극의 전극 모재와 귀금속 팁과의 접합부에 집중시킨다. 그 때문에 전극 모재의 주성분인 Ni과 이리듐 합금이 융해되어, 양자의 중간의 선 팽창 계수를 가지는 용재 고착 층을 형성할 수 있어 열 응력을 완화시킬 수 있다.
연구에 의하면, 레이저 에너지가 작을 경우, 접합 시 용해도 온도가 낮기 때문에, 니켈만 용해되 녹고, 열응력 완화 효과가 발휘되지 않는다. 이 것은 니켈의 융점이 약 1450℃인데 반해 이리듐의 융점은 2450℃로 지극히 높고, 양자의 온도 차가 크기 때문이다. 더욱이 니켈의 비점은 약 2700℃로 이리듐의 융점에 가깝다. 한편, 레이저 에너지가 과대한 경우에는 융해부가 고온이 되어, 니켈의 증발이 생겨 결함이 발생한다. 특히, 레이저 용접 빔은 가우시안 빔이므로 중앙부는 과 입열로 증발에 의한 원소 결핍 등의 용접품질이 좋지 않은 문제점도 있다.
따라서, 접지전극 혹은 중심전극과 전극팁을 레이저 용접을 이용해 견고히 고정할 수 있도록 레이저 용접에 대한 많은 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 전극팁을 중심전극 혹은 접지전극에 견고하게 부착할 수 있는 점화플러그 전극팁 용접방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하고자, 레이저 용접에의해 점화플러그의 귀금속 팁을 전극에 결합하는 점화플러그 전극팁 용접방법에 있어서, 상기 레이저 용접의 시간에 따른 레이저빔출력 파형에 있어서, 중간부가 양끝단부에 비해 출력이 낮은 말발굽형 파형인 것을 특징으로 하는 점화플러그 전극팁 용접방법을 제공한다.
여기서, 상기 레이저빔 출력 파형은, 사각파형을 기초로하여 중간부가 양끝단부에 비해 출력이 낮은 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 레이저빔의 총 입열량은 70J/cm3이상 130J/cm3 이하인 것이 효과적이다.
한편, 상기 레이저 용접의 시간에 따른 레이저빔출력 파형은, 상기 레이저빔 출력이 점진적으로 증가하는 상승부; 상기 상승부 이후에 상기 레이저빔 출력이 일정하게 유지되는 출력 유지부; 및 상기 출력유지부 이후에 출력이 점진적으로 감소하는 하강부;를 포함하는 사다리꼴 파형일 수도 있다.
여기서, 상기 상승부, 상기 출력 유지부 및 상기 하강부의 레이저빔 조사시간은 서로 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 레이저빔의 총 입열량은 60J/cm3이상 150J/cm3 이하인 것이 효과적이다.
한편, 상기 레이저 용접의 시간에 따른 레이저빔출력 파형은, 상기 레이저빔 출력이 점진적으로 증가하는 상승부; 및 상기 상승부 이후에 출력이 점진적으로 감소하는 하강부;를 포함하는 삼각형 파형으로 형성될 수도 있다.
여기서, 상기 상승부 및 상기 하강부의 레이저빔 조사시간은 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 레이저빔의 총 입열량은 60J/cm3이상 150J/cm3 이하인 것이 효과적이다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
먼저, 레이저 용접 시간에 따른 레이저빔 출력 파형을 사각파형과 달리, 말발굽형 파형, 사다리꼴 파형 및 삼각형 파형으로 형성함으로써, 중앙부의 과 입열로 증발에 의한 원소 결핍, 언더컷(undercut) 및 언더컷으로 인해 주변부에 비드가 발생하는 험핑(humping) 등의 문제점을 해소할 수 있다.
더욱이 이들 파형에 따른 레이저빔의 적정한 총입열량을 발견함으로써, 중심전극 혹은 접지전극에 귀금속 전극팁을 보다 견고히 용접할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 점화 플러그의 일부 파단 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 점화 플러그는 중심전극(3)과, 중심전극(3)의 외부에 배치된 절연체(2)와, 절연체(2)의 외부에 배치된 금구(1)와, 일단은 금구(1)에 연접하고 타단은 중심전극(3)에 대항되는 접지전극(4)을 포함한다. 중심전극(3)과 접지전극(4)의 마주 보는 위치에는 전극팁(31, 32)이 형성된다.
도 2는 도 1의 중심전극 및 접지전극의 일부 확대 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중심전극(3)의 주요본체(3a)는 그 단부에서 테이퍼지고, 그 단부면은 평평하게 형성된다. 전극팁(31)은 디스크형상으로 형성되며 평평한 단부면에 배치되고, 레이저접합, 전자빔 접합, 저항접합 또는 그밖의 적절한 접합기술이 접합선(W)을 형성하기 위해 연접면의 외면에 응용되고, 이로 인해 전극팁(31)은 중심전극(3)의 단부면에 단단히 고정된다. 대향 되는 전극팁(32)은 접지전극(4)에 배치되고, 접합선(W)은 유사하게 연접면의 외면에 형성되며, 이로 인해 전극팁(32)은 접지전극(4)에 단단히 고정된다.
상황에 따라 2개의 대향하는 전극팁(31, 32)중 하나를 생략할 수도 있다. 만약 그런 경우에는 스파크 방전 간극(g)은 전극팁(31, 32) 중 하나와 접지전극(4)(또는 중심전극(3)) 사이에서 형성된다.
전극팁(31, 32)은 일반적으로 백금족 귀금속 특히 이리듐이 많이 사용된다. 전극팁(31, 32)은 필요합금 성분을 혼합하고 그 혼합물을 녹여서 얻은 용해된 물질로부터 형성되거나, 조밀한 합금 분말형으로 만들거나 또는 기본적인 금속성분분말을 특정한 비율로 혼합하고 그 조밀한 합금분말을 소결하여 얻어진 소결체로부터 형성될 수 있다.
만약 전극팁(31, 32)이 용해된 합금으로 형성되면 용해된 합금의 생물질은 롤링작업, 불리는 작업, 잡아 늘리는 작업, 절단작업, 전단(剪斷)작업, 소거작업 중의 하나 이상을 포함하는 작업공정을 거칠 수 있고, 이로 인해 전극팁은 특정한 형상으로 생산된다.
이하에서는 상술한 전극팁(31, 32)과, 중심전극(3) 혹은 접지전극(4)을 레이저 용접에 의해 고정하는 용접방법에 대해서 살펴본다.
도 3은 레이저 용접에 사용되는 레이저 빔의 중심에서부터 거리에 따른 빔의 강도를 도시한 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이 레이저 빔은 빔의 강도가 중심에서 가장 강하고 주변부로 갈 수록 급격히 약해지는 가우시안 분포를 가지고 있다. 그 결과, 레이저 빔을 도 4a와 같이 사각파형으로 조사하는 경우 중앙부는 과 입열로 증발에 의한 원소 결핍, 언더컷(undercut) 및 언더컷으로 인해 주변부에 비드가 발생하는 험 핑(humping) 등의 문제점이 있다. 따라서, 과입열을 방지할 수 있는 다양한 레이저 출력 파형 및 이에 따른 레이저 공정변수에 따른 용접결과를 살펴본다.
아래의 [표1]은 도 4a의 사각파형으로 레이저빔의 입열량을 달리하여 용접깊이와, 발생하는 험핑(Humping)의 평균 크기와, 험핑의 발생빈도를 기재한 것이다. 용접깊이가 깊을 수록 결합부위의 결합력이 증대된다. 따라서 용접깊이를 용접의 양호도를 측정할 수 있는 지표로 사용할 수 있다. 험핑이란 용접시 비드의 표면에 혹모양으로 울퉁불퉁하게 형성되는 비드로서, 과입열로 인한 언더컷(undercut)에 의해 발생하는 용접 불량의 일 형태이다. 실험은 중심전극 혹은 접지전극으로 사용되는 니켈을 주체로 하는 금속판에 보호가스를 아르곤(Ar)으로 하고, 빔 이송속도는 500mm/sec로 실험하였다.
입열량(J/cm2) 빔조사시간(ms) 빔출력 (w) 용접깊이(μm) 험핑 크기 (μm) 험핑 빈도수
15 150 100 157 - -
30 150 200 392 - -
45 150 300 569 35 1
60 150 400 682 66 1
75 150 500 769 101 1
아래의 [표2]는 도 4b의 파형으로 레이저빔의 입열량을 달리하여 발생하는 용접깊이, 험핑(Humping)의 평균 크기 및 험핑의 발생빈도를 기재한 것이다. 도 4b의 파형은 레이저 용접 시간에 따른 레이저빔 출력 파형의 형상이 중간부(42)가 양끝단부(41)에 비해 출력이 낮도록 형성된다. 즉, 사각파형을 기초로하여 중간부(42)가 양끝단부에 비해 출력이 낮도록 조정된 것이다.(이하, 도 4b의 파형을 '말발굽 파형'이라 칭함) 입열량 및 기타 용접조건은 사각파형과 동일하도록 실시하였다.
입열량(J/cm2) 빔조사시간(ms) 용접깊이(μm) 험핑 크기 (μm) 험핑 빈도수
15 150 164 - -
30 150 486 - -
45 150 615 - -
60 150 713 - -
75 150 843 - -
말발굽 파형은 [표 2]에서 알 수 있듯이 용접깊이가 큰 차이는 아니지만 사각 파형에 비해 조금씩 늘어난 것을 알 수 있다. 특히 험핑은 전혀 발생하지 않았다. 위의 결과는 사각 파형에 비해서 말발굽파형의 용접특성이 월등하게 좋다는 것을 보여주고 있다.
아래의[표3]은 도 4c의 파형으로 레이저빔의 입열량을 달리하여 발생하는 용깊이, 험핑(Humping)의 평균 크기 및 험핑의 발생빈도를 기재한 것이다. 도 4c의 파형은 레이저 용접 시간에 따른 레이저빔 출력 파형의 형상이 사다리꼴의 형상이다. 즉, 레이저빔의 출력이 점진적으로 증가하는 상승부(43)와, 상승부(43) 이후에 레이저빔 출력이 일정하게 유지되는 출력 유지부(44)와, 출력유지부(44) 이후에 출력이 점진적으로 감소하는 하강부(45)로 형성된다. 여기서, 상승부(43), 출력유지부(44) 및 하강부(45)의 레이저빔 조사시간은 서로 실질적으로 동일하도록 실험하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 입열량 및 기타 용접조건은 사각파형과 동일하도록 실시하였다.
입열량(J/cm2) 빔조사시간(ms) 용접깊이(μm) 험핑 크기 (μm) 험핑 빈도수
15 150 165 - -
30 150 450 - -
45 150 580 - -
60 150 701 - -
75 150 788 66 1
사다리꼴 파형도 [표 3]에서 알 수 있듯이 용접깊이가 큰 차이는 아니지만 사각 파형에 비해 조금씩 늘어난 것을 알 수 있다. 특히 험핑은 1회 발생하였으며, 험핑의 크기도 동일 입열량의 사각형 파형에 비해서 훨씬 작다. 위의 결과는 사각 파형에 비해서 사다리꼴파형의 용접특성이 월등하게 좋다는 것을 보여주고 있다.
아래의 [표4]은 도 4d의 파형으로 레이저빔의 입열량을 달리하여 발생하는 용접깊이, 험핑(Humping)의 평균 크기 및 험핑의 발생빈도를 기재한 것이다. 도 4d의 파형은 레이저 용접 시간에 따른 레이저빔 출력 파형의 형상이 삼각형 파형이다. 즉, 레이저빔의 출력이 점진적으로 증가하는 상승부(46)와, 상승부(46) 이후에 출력이 점진적으로 감소하는 하강부(47)로 형성된다. 여기서, 상승부(46) 및 하강부(47)의 레이저빔 조사시간은 서로 실질적으로 동일하도록 실험하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 입열량 및 기타 용접조건은 사각파형과 동일하도록 실시하였다.
입열량(J/cm2) 빔조사시간(ms) 용접깊이(μm) 험핑 크기 (μm) 험핑 빈도수
15 150 141 - -
30 150 388 - -
45 150 580 - -
60 150 694 - -
75 150 729 74 1
삼각형 파형도 [표 4]에서 알 수 있듯이 용접깊이는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 그러나 험핑은 단 1회 발생하였으며, 험핑의 크기도 동일 입열량의 사각형 파형에 비해서 훨씬 작다. 위의 결과는 사각 파형에 비해서 사다리꼴파형의 용접특성이 월등하게 좋다는 것을 보여주고 있다.
이하에서는 사각파형에 비해서 월등하게 좋은 효과를 보여주는 도 4b 내지 도 4d의 파형 각각에 대해서 빔의 입열량을 달리하여 접지전극 혹은 중심전극과 귀금속 팁간의 용접 상태를 살펴보겠다.
용접은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 중심전극(3)과, 전극팁(31) 사이에 45도 각도로 레이저빔을 4곳(W1)에 조사하는 방법으로 실시하였다. 전극팁(31)은 이리듐 팁으로 직경은 0.6mm이다. 레이저빔은 빔의 직경이 600μm인 빔을 사용하였다. 빔의 조사시간은 150 ms 이다.
도 7a 내지 도 7f는 말발굽 파형의 빔을 입열량을 달리하여 중심전극과 귀금속 팁에 적용한 후의 용접 단면의 사진이다. 각 용접조건을 정리하면 아래의 [표5]와 같다.
실시예 도면 총 빔의 입열량(J/cm2)
도 7a 60
도 7b 70
도 7c 100
도 7d 150
도 7e 130
도 7f 195
위의 결과를 살펴보면, 도 7a는 빔의 입열량이 충분하지 않아서 각 합금의 접합면만이 약간 용융되어 있음을 알 수 있다.
도 7b 내지 도 7e에서는 전극팁과 중심전극의 경계면이 완전히 용융되어 용접부위를 형성하고 있음을 알 수 있다. 도 7f에는 빔의 입열량이 과다한 관계로 용융면에 심한 기공이 발생하여 부적합한 용접성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서, 말발굽 파형에서는 레이저빔의 총 입열량은 70J/cm2 이상 130J/cm2 이하인 것이 가장 바람직함을 알 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 사다리꼴 파형의 빔을 입열량을 달리하여 중심전극과 귀금속 팁에 적용한 후의 단면 사진이다. 각 용접조건을 정리하면 아래의 [표6]과 같다.
실시예 도면 총 빔의 입열량(J/cm2)
도 8a 50
도 8b 60
도 8c 105
도 8d 150
도 8e 180
위의 결과를 살펴보면, 도 8a는 빔의 입열량이 충분하지 않아서 전극팁이 전혀 용융되지 않았음을 알 수 있다.
도 8b 내지 도 8d에서는 전극팁과 중심전극의 경계면이 완전히 용융되어 용접부위를 형성하고 있음을 알 수 있다. 도 8e에는 빔의 입열량이 과다한 관계로 용융면에 상당히 큰 기공이 발생하여 부적합한 용융 상태를 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서, 사리꼴 파형에서는 레이저빔의 총 입열량은 60J/cm2 이상 150J/cm2 이하인 것이 가장 바람직함을 알 수 있다.
도 9a 내지 도 9d는 삼각형 파형의 빔을 입열량을 달리하여 중심전극과 귀금속 팁에 적용한 후의 단면 사진이다. 각 용접조건을 정리하면 아래의 [표6]과 같다.
실시예 도면 총 빔의 입열량(J/cm2)
도 9a 50
도 9b 60
도 9c 105
도 9d 150
사진 무 180
위의 결과를 살펴보면, 도 8a는 빔의 입열량이 충분하지 않아서 전극팁이 전혀 용융되지 않았음을 알 수 있다.
도 9b 내지 도 9d에서는 전극팁과 중심전극의 경계면이 완전히 용융되어 용접부위를 형성하고 있음을 알 수 있다. 총 빔의 입열량이 180J/cm2 인 경우에는최고점에서의 레이저빔의 출력이 강하여 전극팁이 이탈되어 양산에 적용할 수 없을 것으로 판단된다.
따라서, 삼각형 파형에서는 레이저빔의 총 입열량은 60J/cm2 이상 150J/cm2 이하인 것이 가장 바람직함을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
도 1은 점화 플러그의 일부 파단 단면도
도 2는 도 1의 중심전극 및 접지전극의 일부 확대 단면도
도 3은 레이저 용접에 사용되는 레이저 빔의 중심에서부터 거리에 따른 빔의 강도를 도시한 그래프
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 각 실시예별 레이저 용접에 사용된 레이저빔 조사시간에 따른 레이저빔의 출력의 관계를 도시한 그래프
도 5는 본 발명의 실시예의 용접이 적용되는 전극팁의 측면도
도 6은 도 5의 화살표 Ⅵ에서 바라본 평면도
도 7a 내지 도 7f는 말발굽 파형의 빔을 입열량을 달리하여 중심전극과 귀금속 팁에 적용한 후의 용접 단면의 사진
도 8a 내지 도 8e는 사다리꼴 파형의 빔을 입열량을 달리하여 중심전극과 귀금속 팁에 적용한 후의 단면 사진
도 9a 내지 도 9d는 삼각형 파형의 빔을 입열량을 달리하여 중심전극과 귀금속 팁에 적용한 후의 단면 사진
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
31: 귀금속 팁 42: (말발굽 파형의) 중간부
41: (말발굽 파형의) 양끝단부 43: (사다리꼴 파형의) 상승부
44: (사다리꼴 파형의) 출력 유지부 45: (사다리꼴 파형의) 하강부
46: (삼각형 파형의) 상승부 47: (삼각형 파형의) 하강부

Claims (9)

  1. 레이저 용접에의해 점화플러그의 귀금속 팁을 전극에 결합하는 점화플러그 전극팁 용접방법에 있어서,
    상기 레이저 용접의 시간에 따른 레이저빔출력 파형에 있어서, 중간부가 양끝단부에 비해 출력이 낮은 것을 특징으로 하는 점화플러그 전극팁 용접방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저빔 출력 파형은, 사각파형을 기초로하여 중간부가 양끝단부에 비해 출력이 낮은 것을 특징으로 하는 점화플러그 전극팁 용접방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레이저빔의 총 입열량은 70J/cm2 이상 130J/cm2 이하인 것을 특징으로 하는 점화플러그 전극팁 용접방법.
  4. 레이저 용접에의해 점화플러그의 귀금속 팁을 전극에 결합하는 점화플러그 전극팁 용접방법에 있어서,
    상기 레이저 용접의 시간에 따른 레이저빔출력 파형은,
    상기 레이저빔 출력이 점진적으로 증가하는 상승부;
    상기 상승부 이후에 상기 레이저빔 출력이 일정하게 유지되는 출력 유지부; 및
    상기 출력유지부 이후에 출력이 점진적으로 감소하는 하강부;
    를 포함하는 사다리꼴 파형인 것을 특징으로 하는 점화 플러그 전극팁 용접방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 상승부, 상기 출력 유지부 및 상기 하강부의 레이저빔 조사시간은 서로 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 점화 플러그 전극팁 용접방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 레이저빔의 총 입열량은 60J/cm2 이상 150J/cm2 이하인 것을 특징으로 하는 점화플러그 전극팁 용접방법.
  7. 레이저 용접에의해 점화플러그의 귀금속 팁을 전극에 결합하는 점화플러그 전극팁 용접방법에 있어서,
    상기 레이저 용접의 시간에 따른 레이저빔출력 파형은,
    상기 레이저빔 출력이 점진적으로 증가하는 상승부;
    상기 상승부 이후에 출력이 점진적으로 감소하는 하강부;
    를 포함하는 삼각형 파형인 것을 특징으로 하는 점화 플러그 전극팁 용접방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상승부 및 상기 하강부의 레이저빔 조사시간은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 점화 플러그 전극팁 용접방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저빔의 총 입열량은 60J/cm2이상 150J/cm2 이하인 것을 특징으로 하는 점화플러그 전극팁 용접방법.
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