KR102306289B1 - 저항 용접용 코팅 전극 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저항 용접용 코팅 전극 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 저항용접용 코팅 전극은 전극기판 및 상기 전극기판 표면에 형성된 코팅층으로 이루어진 저항용접용 코팅 전극으로서, 상기 전극기판의 표면 조도(Ra)가 2~11㎛이며, 상기 코팅층은 텅스텐 카바이드를 70 중량% 이상 포함하는 텅스텐 카바이드 복합재료로 이루어지고, 코팅조도는 6 ㎛ 이하인 저항용접용 코팅 전극일 수 있다.

Description

저항 용접용 코팅 전극 및 그 제조 방법{COATED ELECTODE FOR RESISTANCE WELDING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 저항 용접용 코팅 전극 제조 방법에 관한 것이다.
전기 저항 용접은 널리 사용되는 용접 방법으로서, 특히 박판 용접에 널리 사용된다. 저항 용접은 구리계 합금으로 만들어진 전극 (주로 Cu-Cr 합금)을 사용하여 두 전극 사이에 용접하고자 하는 소재를 두고 두 전극에 전류를 흘려주면 소재에서 발생한 전기 저항에 기인한 열로 용접을 하게 된다.
저항 용접은 여러 번 용접을 하게 되면 구리계 합금으로 이루어진 전극은 마모 및 열화에 의하여 용접이 불량하게 되어, 전극을 교체하거나 전극 표면을 연마하여 사용하게 된다. 따라서, 전극의 수명 증가는 생산성 향상에 직결된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 전극 표면에 코팅을 시도하고 있다.
대표적으로 전도성이 우수한 탄소계 코팅을 하거나 (특허문헌 1), TiB2-TiC 복합 소재를 electric spark deposition 공법으로 코팅하는 (특허문헌 2) 방법을 제시하고 있다. 또는 Ni-TiC 복합 코팅을 electro slag deposition 공정으로 제조하여 상업적으로 판매하고 있다. 또한, 특허문헌 3에서는 고속용사 공정으로 WC 소재가 70 중량% 이상 함유된 분말을 코팅하여 코팅 두께 10~200 마이크로를 가지는 코팅 전극을 제시하고 있다. 특허문헌 4에서는 100% WC 분말을 저온분사 공정으로 전극 코팅하는 방법을 제시하고 있다.
그러나, 상술한 종래기술들은 전극 수명의 향상이라는 목적을 일부 달성하고는 있으나, 그 정도에 있어서는 여전히 미흡한 실정이다.
국제공개특허공보 제2011-092713호 중국공개특허공보 제103801858호 대한민국 공개특허공보 제2017-0178848호 대한민국 등록특허공보 제10-1797136호
본 발명의 한가지 측면에 따르면, 수명이 향상된 저항용접용 코팅 전극 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 목적을 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 저항용접용 코팅 전극은 전극기판 및 상기 전극기판 표면에 형성된 코팅층으로 이루어진 저항용접용 코팅 전극으로서, 상기 전극기판의 표면 조도(Ra)가 2~11 ㎛이며, 상기 코팅층은 텅스텐 카바이드를 70 중량% 이상 포함하는 텅스텐 카바이드 복합재료로 이루어지는 저항용접용 코팅 전극일 수 있다.
본 발명의 다른 한가지 측면에 따른 저항용접용 코팅 전극의 제조방법은 2~11 ㎛의 표면 조도(Ra)를 가지는 전극기판을 준비하는 단계; 및 상기 전극기판의 표면에 텅스텐 카바이드를 포함하는 코팅재를 분사하여 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전극기판에 WC를 포함하는 복합 코팅층을 형성시키고, 상기 전극기판과 코팅층의 표면 조도를 엄격하게 제한한 저항용접용 코팅 전극을 제공함으로써, 복합 코팅층의 전극기판에 대한 밀착성을 향상시킬 뿐 아니라, 코팅층과 도금소재 사이의 반응도 억제하여 전극의 수명을 크게 향상시킬 수 있다는 효과를 가진다.
도 1은 비교예 4의 코팅 전극의 사용 전 단면 사진,
도 2는 발명예 1의 코팅 전극의 사용 전 단면 사진,
도 3은 조도에 따른 코팅 결합력과 용접성의 관계를 나타낸 그래프, 그리고
도 4는 발명예 3의 코팅 전극의 사용 전 단면 사진이다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 발명자들은 전극의 수명을 높이기 위해서는 전극기판 표면에 전도성 코팅을 형성시키는 것이 유리하나, 단순히 코팅을 형성시키는 것만으로는 충분하지 않고, 전극기판과 코팅층 사이의 밀착력을 향상시키고 또한 용접시 도금소재와 코팅층의 반응을 최소화 하여야 할 필요가 있다는 사실을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
즉, 본 발명에서는 전극기판 및 상기 전극기판 표면에 형성된 코팅층으로 이루어진 저항용접용 전극에 관한 것으로서, 전극기판의 표면 조도를 특정 범위로 한정함으로써 전극기판과 코팅층 사이의 밀착력(결합력)을 향상시키되, 코팅층의 표면 조도를 제한하여 코팅층과 도금 소재가 반응하는 것을 최소화 함으로써 전극의 수명을 다각도로 향상시킬 수 있었다.
본 발명에서 사용되는 전극기판은 저항용접에 사용되는 전극용 소재라면 특별히 제한하지 아니하나, 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 상기 전극기판의 소재는 구리계 합금으로 이루어질 수 있으며, 구체적으로는 Cu계 합금으로서 Cu-Cr 합금, Cu-Cr-Zr 합금, Cu-Be 합금 등이 전극기판 소재로 이용될 수 있으나 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 전극기판 표면에 세라믹 재질의 복합재료를 코팅하여 전극을 얻는 것이기 때문에, 전극기판과 복합 재료 사이의 밀착력이 문제가 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 한가지 구현례에서는 밀착력을 향상시키기 위하여 상기 전극기판의 표면조도(Ra)를 2㎛ 이상으로 제한할 수 있다. 즉, 상기 전극기판의 표면조도(Ra)가 2㎛ 보다 작을 경우에는 충분히 강한 밀착력이 얻어지지 않아서 코팅층이 전극기판으로부터 박리될 우려가 있다. 따라서, 이러한 측면에서는 전극기판의 표면조도를 2㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하며, 상기 표면조도는 크면 클수록 밀착력에 유리하게 작용할 수 있다.
그러나, 전극기판과 코팅층의 밀착력을 향상시키는 것만으로는 높은 전극 수명을 기대하는 것에 한계가 있다. 그 이유는 코팅층이 전극기판에 견고하게 밀착 및 결합되어 있다고 하더라도 도금금속이 코팅층과 반응하여 들러붙어서 전극 수명이 감소할 수 있기 때문이다. 특히, 코팅층 표면의 조도가 클수록 도금금속이 코팅금속에 부착되는 경향이 강한데, 이와 같은 코팅층 표면의 조도는 전극기판의 표면조도에 영향 받을 수 있기 때문에 결국 밀착력을 향상시키기 위하여 전극기판의 조도를 무조건 증가시키는 것은 바람직하지 않다. 이러한 점을 고려하였을 때, 전극기판의 표면조도(Ra)는 11㎛ 이하로 제한하는 것이 유리하다.
또한, 본 발명의 한가지 구현례에서 도금금속과의 반응성(들러붙음)을 억제하기 위해서, 코팅층의 표면조도(Ra)는 6㎛ 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 즉, 용접시의 용융된 도금금속과 코팅층 사이의 젖음성 등을 고려하였을 때 상기 코팅층의 표면조도를 6㎛ 이하로 할 경우 용접시에 용융된 용접금속이 코팅층의 표면에 형성된 골 내로 스며들어 코팅층에 도금금속(도금강판)이 들러붙는 현상을 방지할 수 있다. 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 코팅층의 표면조도는 전극기판의 표면조도를 제한하고 적절한 코팅방법에 의해 코팅층을 전극기판 표면에 형성시킬 경우에 얻어질 수 있다. 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 코팅층의 조도를 제어하기 위하여 용접 전에 추가적인 연마를 실시할 수도 있다.
본 발명의 한가지 구현례에 따르면 코팅층은 텅스텐 카바이드(WC)계 소재인 것이 바람직하며, 상기 소재 중 텅스텐 카바이드의 중량비율이 70% 이상인 것이 바람직하다. 상기 텅스텐 카바이드는 충분한 전기전도도와 내마모성을 가지는 소재로서 저항 용접에 필요한 전도성을 유지할 수 있으며, 우수한 마모성으로 인하여 사용시 수명을 증대할 수 있다. 또한 상기 텅스텐 카바이드는 용융된 도금금속 특히 Zn 등의 금속과의 젖음성이 나빠서 전극과 도금금속이 반응하는 것을 최소화할 수 있다. 이를 위해서는 상기 코팅층 내 텅스텐 카바이드의 비율은 중량 기준으로 70% 이상일 필요가 있다. 또한, 상기 코팅층에는 코팅층과 전극기판 사이의 밀착성을 높이고 코팅층의 강도를 증가시키며, 전도도를 향상시킬 목적으로 Co, Ni, CoCr 중에서 선택된 금속원소 또는 합금이 1종 또는 2종 이상 포함될 수 있다. 충분한 효과를 얻기 위해서는 상기 금속 또는 합금은 중량비율로 10% 이상 포함될 수 있다. 이러한 점을 고려할 경우에는 상기 텅스텐 카바이드의 비율은 90% 이하로 제한할 수 있다.
또한, 충분한 코팅층의 효과를 얻기 위해서는 상기 코팅층은 전극기판의 표면에 20㎛ 이상의 두께로 코팅되는 것이 바람직하다. 다만, 코팅층의 두께가 너무 두꺼울 경우에는 전기 저항이 증가하여 용접성이 나빠지고, 코팅이 박리될 가능성이 증가하므로 상기 코팅층의 두께는 200㎛ 이하로 제어하는 것이 유리하다.
이하, 본 발명의 코팅 전극을 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 다만, 후술하는 코팅 전극의 제조방법은 한가지 바람직한 방법일 뿐, 본 발명의 전극이 반드시 이와 같은 제조방법에 의하여 제조되어야 한다는 것을 의미하는 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다.
본 발명의 한가지 구현례에 따르면 코팅 전극은 2~11㎛의 표면 조도(Ra)를 가지는 전극기판을 준비하는 단계; 및 상기 전극기판의 표면에 텅스텐 카바이드를 포함하는 코팅재를 분사하여 코팅하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 이하 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이, 전극기판을 준비하는 단계가 필요하다. 이때, 전극기판은 표면 조도(Ra)가 2~11㎛일 수 있다. 표면조도가 너무 작을 경우에는 밀착력이 저하하고, 반대로 표면 조도가 너무 클 경우에는 상기 조도가 코팅층에까지 전사되어 코팅층의 조도가 증가하여 도금금속과 코팅층의 반응성이 증가하여 용접성이 저하한다.
상술한 바와 같이 전극기판의 표면 조도(Ra)를 제어하기 위해서는 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 그 중 한가지 비제한적인 예를 들면 전극기판의 표면을 알루미나, SiC 등의 입자로 블라스팅하는 방법을 사용할 수 있다.
이후, 상술한 바와 같이 조도가 제어된 전극기판의 표면에 코팅재를 분사하여 코팅하는 단계가 후속할 수 있다. 상기 코팅재를 분사하는 방법으로는 용사코팅(thermal spray), 저온분사(cold spray), 웜 스프레이(warm spray) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 방법에 의해 수행될 수 있다. 본 발명의 한가지 구현례에서는 용사코팅의 한가지 방법으로서 고속 용사(예를 들어 HVOF, High Velocity Oxygen Fuel) 코팅 공정이 사용될 수 있다. 코팅에 사용되는 코팅재는 분말의 형상을 가질 수 있으며, 그 크기(구상당 직경)는 1~100㎛일 수 있다. 크기가 충분하지 못할 경우 분말 송급이 불균일해 질 수 있으며, 반대로 크기가 너무 클 경우에는 분말의 용융이 부족하게 될 수 있다. 본 발명의 다른 한가지 구현례에서는 상기 분말의 크기는 5~50㎛일 수 있다.
이때, 분사되어 형성되는 코팅층은 두께가 20~200㎛ 일 수 있으며, 코팅 재료로서는 텅스텐 카바이드를 70% 이상 포함하는 복합재료일 수 있다. 상기 복합재료에 대해서는 상술한 바 있으므로, 구체적인 설명을 생략한다.
얻어지는 코팅 전극의 코팅층은 6㎛ 이하의 표면 조도를 가질 수 있다. 표면 조도를 이와 같이 제어함으로써, 코팅층과 도금금속 사이의 반응성을 감소시킬 수 있으며, 따라서 용접성 개선 및 전극의 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 한가지 구현례에서는 필요에 따라, 코팅층이 형성된 코팅 전극의 표면을 연마하여 코팅층의 표면 조도를 감소시키는 단계가 더 포함될 수 있다. 연마 방법으로서는 종래의 방법을 사용할 수 있으며, 본 발명에서 특별히 제한하지 아니한다.
또한, 본 발명의 또 한가지 구현례에서는 전극의 수명을 더욱 향상시키기 위하여 필요에 따라 진공, 불활성 분위기(예를 들면 질소 및 아르곤 중에서 선택되는 1종 또는 2종의 가스 분위기) 또는 환원성 분위기(예를 들면 상기 불활성 분위기에 5% 이하의 수소 가스를 포함하는 분위기)에서 전극을 후열처리 실시할 수 있다. 후열처리에 의하여 전극의 코팅층이 더욱 강고하게 결합하여 경도가 향상할 수 있다. 이를 위해서는 코팅층이 형성된 전극을 300℃ 이상의 온도로 가열하는 것이 유리하다. 다만, 전극의 가열 온도가 과다하게 높을 경우에는 비록 코팅층의 경도를 향상시킬 수 있을지는 몰라도 전극기판의 경도가 감소할 수 있으므로 가열온도는 전극기판의 연화온도를 넘지 않도록 하는 것이 유리하다. 전극기판의 연화 온도는 전극기판을 이루는 금속의 연화온도를 의미하는 것으로서 메탈 핸드북(metal handbook) 등의 자료를 참고하여 쉽게 결정할 수 있다. 예를 들면 Cu-Cr 및 Cu-Be 합금의 연화온도는 460℃로 정할 수 있으며, Cu-Cr-Zr 합금의 연화온도는 480℃로 정할 수 있다. 이때 열처리 시간은 30분에서 8시간으로 할 수 있다. 충분한 효과를 얻기 위해서는 상기 열처리 시간은 30분 이상인 것이 유리하며, 오래 가열할수록 효과가 향상되기는 하나, 8시간 이상 가열할 경우에는 효과 향상 정도가 크지 않으며 오히려 경제적으로 불리할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만 후술하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
실시예 1
표 1에 나타난 바와 같이 표면 조도가 제어된 Cu-Cr 합금(연화온도: 460℃)으로 이루어진 전극기판을 준비하고, HVOF 고속용사 방법으로 Co가 12중량% 포함되고 나머지가 텅스텐 카바이드(WC)로 이루어진 크기 5~50㎛ 이내의 WC-12중량%Co 복합분말을 평균 120㎛의 두께로 코팅한 후 450℃에서 2시간 후열처리하여 코팅 전극을 제조하였다. 제조된 코팅 전극의 표면 조도(즉, 코팅층의 표면 조도), 코팅층과 전극기판 사이의 결합력을 측정하여 표 1에 나타내었다. 또한, 용접시 강판과 코팅 전극의 반응(들러붙음) 여부 등을 평가하기 위하여 0.9mm의 두께를 가지는 Zn-Mg-Al 합금 도금강판에 대하여 표 3의 조건으로 점 용접을 실시하고, 이를 평가한 결과 역시 표 1에 함께 나타내었다.
전극기판 조도
(Ra, ㎛)
코팅층 조도
(Ra, ㎛)
코팅 결합력
(kg/cm2)
용접시 강판과 코팅 전극의 반응 여부
(초기 100 타점까지)
비교예 1 12 6.8 610 O
비교예 2 11.8 6.5 628 O
비교예 3 11.2 6.4 637 O
발명예 1 8.9 5.5 623 X
발명예 2 6.2 5.3 647 X
비교예 4 1.0 5.3 501 X
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 전극기판의 조도가 11㎛를 초과하여 과다하게 큰 경우인 비교예 1 내지 비교예 3은 코팅 결합력은 비교적 양호한 반면, 코팅층의 조도가 6㎛를 초과함으로써 용접시에 강판과 코팅 전극이 반응하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 4는 도 1에 도시한 바와 같이 전극기판의 조도가 1.0㎛에 불과하였던 경우로서, 코팅시 반응은 일어나지 않았으나 코팅 결합력이 약하여, 코팅의 박리 가능성이 높았다.
이와 대비되는 발명예 1 및 발명예 2는 도 2(발명예 1의 도면)에 도시된 바와 같이 전극기판의 조도를 적절한 범위로 제어함으로써, 코팅층과 전극기판 사이의 결합력이 우수하였으며, 용접시 강판과 코팅층이 반응하는 문제도 발생하지 않았다.
발명예와 비교예를 도 3의 그래프로 대비하였다. 도면에서 확인할 수 있듯이, 비교예들은 전극기판의 조도가 증감함에 따라, 코팅 결합력이나 용접성(전극기판과 코팅 전극 사이의 반응 여부) 중 하나는 충족시킬 수 있었으나, 두가지 필요한 성질 모두를 충족시키는 것은 곤란하였다.
그러나, 본 발명에 따른 발명예와 같이 전극기판의 조도를 적절한 범위 내로 제어함에 따라, 코팅 결합력과 용접성 모두를 향상시킬 수 있어, 코팅 전극의 수명을 향상시킬 수 있으며, 전극 연마 주기를 연장시킬 수 있어서 용접 생산성도 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2
표면 조도(Ra)가 5㎛로 제어된 Cu-Cr 합금(연화온도: 460℃) 전극기판을 준비하고, HVOF 고속용사 방법으로 Co가 12중량% 포함되고 나머지가 텅스텐 카바이드(WC)로 이루어진 크기 5~50㎛ 이내의 WC-12Co 복합분말을 평균 120㎛의 두께로 표 2에 기재된 코팅 방법으로 코팅하여 코팅 전극을 제조하였다(발명예 및 비교예). 또한, 비교를 위하여 조도 제어 및 코팅을 실시하지 않은 경우를 종래예로 하여 표 2에 함께 나타내었다. 후열처리를 실시한 각 비교예 및 발명예에서 후열처리 시간은 2시간으로 동일하게 하였으며, 분위기는 모두 진공 분위기로 하였다. 제조된 각 전극의 모재 경도와 코팅층 경도를 비커스 경도계로 측정한 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 표 3에 기재된 조건으로 두께 0.9mm인 Zn-Mg-Al 합금 도금강판에 대하여 점 용접을 실시하였을 때 용접 너깃의 직경이 4mm 되는 시점의 타점수를 각 전극의 수명으로 측정하였으며 그 결과 역시 표 2에 나타내었다.
코팅 방법
& 후열처리 유무
코팅 소재 코팅 두께 (㎛) 모재 경도
(Hv)
코팅 경도
(Hv)
전극 수명
(타점 수)
종래예 무코팅 - - 160 - 600
비교예 5 고속용사 WC-12Co 120 160 1223 1200
비교예 6 고속용사 + 후열처리 (500oC) WC-12Co 120 150 1350 1400
비교예 7 고속용사 + 후열처리 (600oC) WC-12Co 120 133 1368 1350
발명예 3 고속용사 + 후열처리 (450oC) WC-12Co 120 160 1308 1550
종류 가압력(kN) 전류(kA) 통전시간(cycle)
AC 용접기 2.5 9.2~9.8 13
표 2의 시험결과로부터 알 수 있듯이, 용사코팅만 실시한 비교예 5는 용사코팅 후에 후열처리한 비교예 6, 7 및 발명예 3에 비하여 코팅 경도가 낮게 나타났다. 다만, 비교예 6, 7의 경우에는 후열처리 온도를 전극의 연화온도보다 높게 한 경우로서 모재의 경도가 감소하고 있는 경향을 나타내었으며, 특히 비교예 7의 경우에는 전극 모재의 경도가 현저히 감소한 결과를 나타내었다. 이에 비하여 발명예 3은 코팅 경도와 모재 경도 모두 우수한 값을 가지고 있었으며, 그 결과 비교예 5 내지 7에 비하여 전극 수명이 150회 이상(타점수 기준) 증가한 결과를 나타내었다.
도 4에 본 발명의 조건에 따른 발명예 3의 코팅 전극의 사용 전 단면을 관찰한 사진을 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이 본 발명에 따른 발명예의 경우에는 점 용접을 실시하더라도 코팅층에 기공이나 균열등이 거의 존재하고 있지 않기 때문에 높은 전극 수명을 가질 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (6)

  1. 전극기판 및 상기 전극기판 표면에 형성된 코팅층으로 이루어진 저항용접용 코팅 전극으로서,
    상기 전극기판의 표면 조도(Ra)가 6.2~8.9㎛이며,
    상기 코팅층은 텅스텐 카바이드를 70 중량% 이상 포함하는 텅스텐 카바이드 복합재료로 이루어지는 도금강판의 저항용접용 코팅 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 텅스텐 카바이드 복합재료는 Co, Ni, CoCr 중에서 선택된 금속 원소 또는 합금 중 1종 또는 2종 이상을 10 중량% 이상 포함하는 도금강판의 저항용접용 코팅 전극.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코팅층의 두께는 20~200㎛인 도금강판의 저항용접용 코팅 전극.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코팅층의 표면 조도(Ra)는 6㎛ 이하인 도금강판의 저항용접용 코팅 전극.
  5. 6.2~8.9㎛의 표면 조도(Ra)를 가지는 전극기판을 준비하는 단계;
    상기 전극기판의 표면에 텅스텐 카바이드를 포함하는 코팅재를 분사하여 코팅하는 단계; 및
    코팅재가 코팅된 전극기판으로 이루어진 코팅 전극을 300℃~전극기판의 연화온도 사이의 온도에서 30분 내지 8시간 후열처리하는 단계를 포함하는 도금강판의 저항용접용 코팅 전극의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 분사는 용사, 저온 분사 및 웜 스프레이 중 1종 또는 2종 이상의 방법에 의하여 실시되는 도금강판의 저항용접용 코팅 전극의 제조방법.
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