KR20140076622A - 고장력 강판의 저항 스폿 용접 방법 및 저항 스폿 용접 조인트 - Google Patents

고장력 강판의 저항 스폿 용접 방법 및 저항 스폿 용접 조인트 Download PDF

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Abstract

고강도 강판을 포함하는 판조(sheet set)의 저항 스폿 용접에 있어서, 고(高)Ceq계의 재료라도 높은 조인트 강도를 달성할 수 있는 저항 스폿 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 2매 이상의 강판을 서로 겹친 판조를, 한 쌍의 용접 전극으로 협지하고, 가압하면서 통전하여 용접하는 저항 스폿 용접 방법으로서, 전류값 Im(kA)을 통전하고, 하기식 (1)을 만족하는 너깃 지름 d(㎜)를 형성하는 제1 통전 공정과, 가압한 채, 냉각하는 상기 제1 통전 후의 통전 휴지(休止) 공정 (A)와, 또한, 2단계의 전류값을 이용한 통전을 행하는 제2 통전 공정을, 이 순서로, 갖는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
3×√tm≤d≤6×√tm … 식 (1)
여기에서, tm은, 상기 2매 이상의 강판 중에서 가장 얇은 판의 판두께(㎜)이다.

Description

고장력 강판의 저항 스폿 용접 방법 및 저항 스폿 용접 조인트{RESISTANCE SPOT WELDING METHOD FOR HIGH-TENSILE STEEL PLATES, AND RESISTANCE SPOT WELDING JOINT}
본 발명은, 겹치기 저항 용접법의 일종인 저항 스폿 용접 방법 및 저항 스폿 용접에 의해 형성되는 조인트에 관한 것으로, 특히, Ceq가 0.28 이상인 고강도 강판을 포함하는 판조(sheet set)를, 보다 단시간에, 보다 고강도의 조인트를 형성하는 저항 스폿 용접 방법에 관한 것이다.
최근, 연비를 향상시키고, CO2 배출량을 경감하기 위해, 차체의 경량화가 진행되고 있다. 자동차의 소재로서는 가격, 성형성, 강도의 균형으로부터 대부분 철강이 이용되며, 박육화에 의한 경량화가 진행되고 있다. 한편으로, 차체의 안전성 확보는 종래 이상으로 높은 수준이 요구되고 있어, 박육화와 동시에 고(高)장력화하는 것에 의한 강도의 확보가 검토되고 있다.
또한, 차체의 조립에는 용접이 불가결하고, 용접부의 양부(良否)가 신뢰성에 직결된다. 차체에 사용되는 용접법 중, 저항 스폿 용접은 운용 비용이나 위치의 자유도가 우수하여, 1대에 대해 수천점의 용접을 행한다. 이 때문에 신뢰성의 확보에 관하여 저항 스폿 용접이 담당하는 역할은 크다.
저항 스폿 용접은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 서로 겹친 2매 이상의 강판(여기에서는, 아래의 강판(1)과 위의 강판(2)의 2매)의 판조(3)를, 상하 한 쌍의 전극팁(아래의 전극팁(4)과 위의 전극팁(5))으로 사이에 끼우고, 가압, 통전함으로써 용융시키고, 필요 사이즈의 너깃(nugget; 6)을 형성하여, 용접 조인트를 얻는 것이다.
이와 같이 하여 얻어진 조인트의 품질은, 너깃의 지름이나 용입(penetration)이 얻어져 있거나, 혹은, 전단 인장 강도(tensile shear strength)(조인트의 전단 방향으로 인장 시험을 했을 때의 강도)나 십자 인장 강도(cross tension strength)(조인트의 박리 방향으로 인장 시험을 했을 때의 강도), 또한 피로 강도 등으로 평가되고 있다. 그 중에서도, 전단 인장 강도나 십자 인장 강도를 대표로 하는 정적 강도는, 조인트 품질의 지표로서 중요시되고 있다.
스폿 용접부의 인장 전단 강도는, 강판의 인장 강도의 증가와 함께 증가하는 경향이 있는 것이 알려져 있다. 그러나, 십자 인장 강도는 강판의 인장 강도의 증가에 관계없이 거의 증가하지 않고, 역으로 감소한다. 그 원인으로서, 강판은, 고강도가 되면, 하기식 등으로 나타나는 탄소 등량(等量) Ceq가 커지고, 이러한 강판을 용접하면, 급열 급냉의 열사이클이 부여되기 때문에, 용접부 및 열영향부에 있어서 경도가 상승하여, 인성이 저하되기 때문이라고 생각되고 있다.
Ceq=C+1/30×Si+1/20×Mn+2P+4S(%)
고강도 강판을 저항 스폿 용접할 때에 용접 조인트부의 강도를 확보하기 위해서는, 용접법의 관점에서는, 타점수의 증가나 너깃 지름의 확대를 생각할 수 있다. 그러나, 타점수의 증가는 용접 작업 공간이 필요하고, 작업 시간의 증대의 원인이 되어, 더욱 생산성을 악화시킨다. 또한, 너깃 지름을 확대하려면 전극을 크게 하거나, 용접 금속의 비산(튐(expulsion))을 방지하기 위해 가압력을 증가하지 않으면 안 되고, 설비 장치상의 제약도 받는 것 외에, 용접 열영향부가 확대되기 때문에 모재(base metal) 특성이 손상되는 결점도 있다.
그래서, 종래와 동일하게, 혹은 그 이하의 너깃 지름으로 용접 조인트부의 강도를 확보하기 위해, 너깃을 형성하는 본(main)통전의 후에 통전을 행하는 후열 통전 방식에 대한 시도가 이루어져 왔다. 특히, 용접부를 일단 냉각하고, 재가열하는 마르텐사이트 템퍼 방식 (이하, 「템퍼 방식」이라고 함)은, 한번 용접부를 응고, 변태시킨 후에 재가열함으로써, 너깃 및 용접 열영향부(HAZ부)를 연화(softening)시킴으로써, 너깃의 인성 향상이나 용접부 근방의 응력 집중 완화를 도모하고, 조인트 강도 향상을 실현하고자 하는 것으로, 수많은 검토예가 있다.
그 일 예로서, 특허문헌 1에서는, 템퍼 통전에 있어서의 통전 시간 Tt·통전 전류 It와 본통전에 있어서의 통전 시간 To·통전 전류 Io를 이용하여, (It/Io)의 2승과 (Tt/To)의 곱이 0.25∼0.82의 범위에 들어가 있는 것이 바람직하다고 하고 있다.
또한, 비특허문헌 1에서는, 1.05㎜의 강판에 대하여 템퍼 통전을 행함으로써 정적 강도가 향상되고, 후열 통전을 위해 필요한 시간은 냉각 시간이 0.4초, 템퍼 통전 시간이 0.5초로, 합계 0.9초라고 하고 있다.
특허문헌 2에서는, 본통전을 행한 후에, 본통전 이하의 전류값으로 통전을 행하고, 통전 종료 후의 보존유지 시간을 판두께에 맞추어 바꿈으로써, 고장력 강판의 십자 인장 강도를 개선할 수 있다고 하고 있다.
특허문헌 3에서는, 인장 강도 900㎫∼1850㎫의 강판에 대하여, 본통전 후, 본통전의 70%∼90%의 전류값을, 40ms 내지 80ms의 시간 통전, 혹은 20ms의 냉각 시간 후, 본통전의 40%∼70%의 전류값을, 40ms 내지 200ms의 시간 통전함으로써 십자 인장 강도가 향상된다고 하고 있다.
최근에는, 특허문헌 4나, 비특허문헌 2에 보이는 바와 같이, 일정한 냉각 후, 2∼4사이클(40∼80ms) 정도의 통전을 행함으로써 십자 인장 강도가 향상된다고 한 방법도 제안되고 있다. 비특허문헌 2에서는, 40사이클(0.8s) 정도의 냉각 후, 통전함으로써, 템퍼 방식과 동등한 효과가 얻어진다고 하고 있다. 특허문헌 4에서는, 튐이 발생하는 상한에 가까운 전류를 부하하면, 특이적인 열영향이 얻어지고, 그 결과 템퍼 방식과 동등한 효과가 얻어진다고 하고 있다.
또한, 최근에는, 템퍼 방식과는 상이하게, 냉각과 통전을 반복하는 펄세이션(pulsation) 형태의 통전 방식의 검토가 진행되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 5에서는, 너깃을 형성하는 본통전 후, 무(無)통전으로 보존유지한 후 본통전보다도 고전류의 통전을 단시간 행하고, 이것을 복수회 반복함으로써 템퍼 방식보다도 단시간에 조인트 강도가 향상된다고 하고 있다.
또한, 박판(thin sheet)과 그보다도 두꺼운 2매의 판 등의 조합에 있어서는, 박판과 후판(thicker sheet)의 사이에 용융부가 형성되기 어렵다는 문제가 있고, 이러한 3매 이상 겹친 판조에 대하여, 특허문헌 6에서는 본통전 후에 휴지(休止)와, 통전을 반복하는 펄세이션 통전을 행함으로써 충분한 너깃 지름을 확보할 수 있다고 하고 있다.
특허문헌 7에서는, 너깃을 형성하는 본통전 후, 한번 전류값을 내려 통전한 후, 본통전보다도 고전류의 통전을 단시간 행하고, 이것을 복수회 반복함으로써 튐을 발생시키는 일 없이 너깃을 형성할 수 있다고 하고 있다.
일본공개특허공보 소58-003792호 일본공개특허공보 2002-103048호 일본공개특허공보 2009-241086호 일본공개특허공보 2010-172946호 일본공개특허공보 2010-115706호 일본공개특허공보 2008-093726호 일본공개특허공보 2010-207909호
1st International Conference Super-high Strength Steels Proceedings, G.Shi 등, Techniques For Improving The Weldability of Trip Steel Using Resistance Spot Welding, 2005년 AISI/DOE Technology Roadmap Program, DE-FC36-97ID13554, B.Girvin 등, Development of Appropriate Spot Welding Practice for Advanced High-Strength Steels, 2004년
그러나, 종래의 템퍼 방식의 통전, 혹은 펄세이션 형태의 통전에는 과제도 많다.
우선, 특허문헌 1∼3 및 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같은 통전 방법은, 본통전 이하의 전류값으로, 충분한 저항 발열이 가능한 범위를 선택하기 때문에, 이용 가능한 전류 범위는 좁다. 따라서, 경미한 통전 전류·전류 시간의 변화로 크게 영향을 받지 않을 수 없고, 여러 가지 외란(disturbances) 요인이 존재하는 제조의 현장(예를 들면, 본통전의 50%를 초과하는 큰 전류 저하가 일어남)에 있어서 실장함에 있어서는, 안정적인 시공을 행함에 있어서의 여유가 작다는 문제점이 있다. 또한, 본통전 이하의 저전류로 유효하게 발열시키기 위해서는, 충분한 용접 시간(비특허문헌 1에 의하면, 적어도 0.5초 이상)이 필요하고, 냉각 시간과 합하여 총 용접 시간(최초의 통전이 개시되고 나서, 최후의 통전이 완료될 때까지로 정의함)의 증가 요인이 되는 문제도 있다.
특허문헌 4 및 비특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같은 단시간의 고전류를 1회만 가하는 경우, 모두, 효과를 얻기 위해 튐 발생 상한에 가까운 전류값을 설정하고 있다. 그러나, 가공이나 조립의 정밀도에 따라서는 판 간극이 발생하여, 튐의 원인이 될 수 있다는 과제가 있다.
또한, 일반적인 템퍼 방식의 통전 방법은, 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2에서 실시 혹은 기재되어 있는 바와 같이, 충분한 냉각을 둔 후에 통전함으로써 템퍼링을 행하는 것이다. 따라서, 충분한 냉각 시간(비특허문헌 1에 의하면 1.05㎜의 판두께에서 적어도 20사이클(0.4초) 이상, 안정적으로 효과를 얻고 싶은 경우나 판두께를 늘리는 경우는 20사이클(0.4초)보다 긴 시간)이 필요하여, 총 용접 시간이 길어진다는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 4 및 5는, 본통전에서 형성된 너깃을 후열 통전에 의해 확대하여, 용융부를 확보하고 있다. 종래, 너깃 지름과 조인트 강도에는 밀접한 관계가 있다는 관점에서, 후열 통전의 유무에 관계없이, 최종적인 너깃 지름에 관해서만 조인트 강도를 정리하고, 평가해 왔다. 그러나, 전술한 바와 같이, 너깃 지름의 확대로 강도를 향상시키는 것이 중요한 것은 물론이지만, 용융 상태로부터 너깃이나 HAZ는 급냉되기 때문에, 조인트 강도를 향상시킬 수는 없다.
특허문헌 6에서는 열영향부의 온도 이력을 복수로 제어함으로써 조인트 강도를 향상시킨다는 점에서, 상단의 템퍼 통전과는 사고 방식을 달리하는 것이다. 그러나, 고(高)Ceq계가 됨에 따라 단순한 반복의 패턴으로는 효과가 작고, 또한, 반복수가 늘어남에 의한 택트 타임의 증가도 있어, 개선점이 많다고 생각되었다.
그래서, 본 발명은, 고강도 강판을 포함하는 판조의 저항 스폿 용접에 있어서, 상기 문제를 해결하여, 보다 고Ceq계의 재료라도 높은 조인트 강도를 달성할 수 있는 저항 스폿 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, 고장력 강판을 포함하는 판조의 저항 스폿 용접에 있어서의 조인트 강도의 향상 방법에 대해서 예의 검토했다.
저항 스폿 용접의 조인트 강도의 정적 강도를 대표하는 인장 전단 강도와 십자 인장 강도 중, 인장 전단 강도는 강판의 고강도화에 맞추어 향상되는 경향이 있기 때문에, 본 발명자들은, 고강도 강판의 조인트 강도를 생각할 때는 십자 인장 강도를 보다 중시했다. 저항 스폿 용접 조인트의 십자 인장 강도와 파단 형태에는 상관이 있어, 저강도 용접 조인트는 강판에 평행하게 파단하는 박리 파단(interface fracture)을 발생시키고, 고강도가 됨에 따라 버튼 형상으로 한쪽의 강판을 남겨 놓은 채 제거되도록 파단하는 플러그 파단으로 변화하는 것이 알려져 있다.
박리 파단은 취성 파단인 점에서, 종래, 너깃 단부로의 응력 집중에 착안하여 검토가 진행되어 왔다. 조인트 강도를 향상하는 것을 목적으로 한 특허문헌 1∼5도, 너깃 혹은 열영향부의 경화를 억제 혹은 연화시킴으로써 응력 집중을 저감 시키는 것에 의해 달성하고 있다.
그러나, 이들은 너깃의 취성 파단의 크라이테리어(criteria) 자체는 변화하지 않는다는 전제로 이루어진 것이며, 크라이테리어의 향상에 대해서 논한 것이 아니다. 본 발명자들은 크라이테리어 및 그의 향상에 대해서 검토했다.
그래서, 본 발명자들은 십자 인장 시험의 수치 해석을 행하고, 너깃 단부의 응력 확대 계수(stress intensity factor)의 평가를 행했다. 이 결과, 너깃의 연화, 열영향부의 연화의 각각에서, 동일 하중하의 응력 확대 계수가 유의미하게 저하되는 것을 인식했다. 이것은, 각부의 연화에 의해 너깃 단부에 접하는 절결 선단각(angle of notch tip)이 둔화했기 때문이라고 설명할 수 있다.
너깃의 특성에 영향을 주는 인자로서, P(인)나 S(황)의 존재가 지적되고 있다. 동일한 정도의 C(탄소)량을 함유하여 P 및 S를 변화시키고, 동일한 정도의 경도 및 인장 강도를 갖는 강종을 시작(試作)하여, 십자 인장 강도을 비교한 결과, P 및 S의 양이 증가함에 따라 파단 강도는 저하되어, 박리 파단이 증가했다.
그래서, P 및 S의 영향에 대해서 상세하게 평가했다. 너깃의 조직을 관찰한 결과, 피크린산으로 에칭되는 부분과 마르텐사이트립(粒)의 셀 구조는 일치하고 있지 않았다. 피크린산으로 에칭되는 영역은, EPMA 관찰을 통한 관찰에 의해, Si(규소), Mn(망간) 및 P가 주로 높게 편재하고 있어, 응고 편석의 부분이라고 생각된다. 이 중, 특히 P는 Si나 Mn에 비하여 고농도로 응집되어 있었다. 이것은, P가 다른 원소에 비하여 융점이 낮기 때문이라고 생각된다. 또한 십자 인장 시험을 일정 하중에서 정지하고, 너깃 내 균열의 전파 위치를 평가했다. 그 결과, P의 편재 위치와 균열의 전파 경로는 오버랩되고 있는 것을 알 수 있었다.
따라서, 용접 프로세스와 너깃 파단의 관계는 이하와 같이 생각된다. 우선, 급속한 응고에 의해 불순물, 특히 P나 S가 덴드라이트 구조의 외측으로 압출되어, 편석이 발생한다. 그 후, 오스테나이트립이 형성되지만, 그 구조는 편석 상태와 반드시 일치하지는 않는다. 또한 냉각이 진행되면 마르텐사이트 변태가 일어나, 마르텐사이트립 내에 존재하는 P 및 S의 편석부가, 너깃의 취성 파단을 야기한다고 생각된다. 따라서, P 및 S의 편재를 완화함으로써, 크라이테리어의 향상을 도모할 수 있다고 생각되어, 추가로 검토를 진행했다.
우선, 응고 속도를 변화시킴으로써 효과가 얻어지지 않는지를 평가했다. 그러나, 너깃 형성 후에 저전류로 통전을 계속하는 것은 응고 편석을 조장하는 결과가 되었다. 일반적으로 냉각 속도가 빨라지면 편석은 보다 미세화되는 경향이 있기 때문에, 우선 급속하게 냉각하는 것이 중요하다.
다음으로, 재통전에 의한 P상태를 평가했다. 일반적으로, 원소는 고온일수록 단시간에 확산되고, 저온일수록 장시간 필요하다. 한편으로, 오스테나이트립 내에 P가 편석하고 있는 점에서, 장시간 확산시킨 경우, 오스테나이트 입계에서 응집하여, 입계 균열의 원인이 되는 것이 추정된다. 실제로, 템퍼 통전을 가한 경우는 템퍼 통전을 행하지 않는 경우에 비하여 P편석의 완화가 보였지만 장시간의 통전을 행하면, 입계로의 편석이 보이고, 조인트 강도는 저하되었다. 또한 특허문헌 6의 방법에서도 약간의 완화가 보였다. 이것은 고전류를 이용함으로써 단시간에도 큰 효과가 얻어진 것이라고 생각된다.
그러나, 본통전(제1 통전 공정) 후의 후열 통전을 제2 통전 공정만 행한 너깃과, 그 후 제3 통전 공정을 행한 너깃을 비교한 경우, 제3 통전 공정을 행한 쪽이 P의 편석의 완화의 효과는 작았다. 이것은, 두번째의 후열 통전(제3 통전 공정)까지의 통전 휴지 공정 (B)에서 냉각됨으로써 너깃은 급격하게 저온이 되기 때문에, 첫번째의 후열 통전(제2 통전 공정) 이후에서는 P편석의 완화의 효과가 작았다고 추정된다. 따라서, P편석의 완화의 효과를 증대시키기 위해서는 급냉한 후, 고온으로 유지하는 것이 필요하다는 인식을 얻었다.
한편, 종래부터 인식되고 있는 바와 같이, 열영향부의 연화에 의해 응력 집중이 완화되는 것도 중요하다. 고장력 강판의 열영향부에는 너깃 근방에서 모재보다도 단단해지는 경화부와, 경화부의 외주(外周)의 모재보다도 부드러워지는 연화부가 존재한다. 본 발명자들은 수치 해석에 의해 경화부와 연화부의 영향을 평가한 결과, 경화부의 연화 혹은 그 영역의 감소, 또는 연화부의 더 한층의 연화 혹은 그 영역의 증가에 의해 너깃 단부에 있어서의 응력 집중이 저감되어, 너깃에서의 파단을 억제할 수 있는 것을 밝혔다. 또한, 경화부 및 연화부의 영역이란, 조인트의 단면을 관찰했을 때, 연화부의 면적, 혹은 연화부의 폭에 상당하는 영역을 말하는 경우가 있다. 본 발명에서는, 이 중, 연화부의 영역의 증가에 착안했다.
너깃의 연화부는, 너깃에서 발생한 열이 전해져 오스테나이트화 온도 이하의 온도까지 승온하는 부분이다. 이 연화부의 영역을 증가시키기 위해서는 너깃으로부터 전해지는 열을 일정 정도로 유지하는 것을 생각할 수 있다. 특허문헌 6과 같은 방법에서는, 통전에 의해 연화부의 온도가 점차 올라가서 오스테나이트 영역에 들어가 경화되는 부분도 있어서, 단순한 고전류 통전으로는 적절하게 제어되지 못하고 있다고 생각되었다.
이러한 검토에 입각하여, 본 발명자들은, 너깃을 급냉한 후 고온 유지하면서도, 연화부의 온도를 유지하는 방법을 검토했다. 그 결과, 이하와 같은 통전 패턴을 발견했다. 우선, 본통전 후, 통전 휴지 공정에 의해 냉각을 행하고, 이어서, 제2 통전 공정에 의해 고온화하기 위해 고전류를 부하하고, 더 전류를 내려 추가로 통전을 계속한다는 제2 통전 공정에 있어서 2단(two-step)의 통전 처리를 행하는 패턴이다. 이에 따라 너깃을 급냉·고온화함과 함께, 연화부 온도가 지나치게 오르는 것을 방지하면서, 적절하게 유지할 수 있다.
또한, 연화부의 영역을 확대하기 위해서는, 연화부의 외측의 모재까지 고온으로 할 필요가 있지만, 통전을 계속하면 경화부에 가까운 부분이 보다 고온이 되기 때문에, 통전과 통전 휴지에 의한 냉각을 반복하는 것이 중요하다. 실험적 검토로부터, 냉각 시간을 판두께에 따라 엄밀하게 정의함으로써, 낭비 없는 열전달을 실현할 수 있는 것을 발견했다. 따라서, 상기 패턴에 더하여, 통전 휴지 공정의 냉각과 통전을 반복함으로써 연화부의 영역을 더욱 확대할 수 있다. 이때의 통전을 2단으로 나누어, 후단(post-step)을 전단(pre-step)보다도 저전류화함으로써 효율적으로 연화를 실현할 수 있다. 이 통전 휴지 공정의 냉각과 통전을 반복함으로써 효과를 늘릴 수 있지만, 용접 시간의 증가의 원인이 되기 때문에, 많아도 2회가 바람직하다.
이 용접법을 행하면, 너깃의 P의 편석 상태를 EPMA 등으로 해석했을 때, P가 편석에 의해 고농도가 되는 영역의 비율을 종래에 비하여 낮은 수준으로 할 수 있다.
이 용접법은 급냉에 의한 경화가 현저하고, 십자 인장 강도가 대폭으로 열화 하는 인장 강도 440㎫ 이상의 고장력 강판에 적용됨으로써, 현저한 조인트 강도 향상의 효과를 발현한다.
이와 같이 하여, 후열 통전(제2 통전 공정 또는 제3 통전 공정)과, 상기와 같은 통전 휴지 공정 (A) 및/또는 (B) 추가로 제2 통전 공정 중에서 2단의 통전을 행하여, 너깃의 P편석 완화와 연화부의 확대를 동시에 달성함으로써, 종래 용접보다도 단시간에, 또한, 조인트 강도를 향상시키는 것에 성공했던 것이다.
상기에 기초하여, 본 발명은 이하의 특징을 갖고 있다.
[1] 2매 이상의 강판을 서로 겹친 판조를, 한 쌍의 용접 전극으로 협지하고, 가압하면서 통전하여 용접하는 저항 스폿 용접 방법으로서,
전류값 Im(kA)을 통전하고, 하기식 (1)을 만족하는 너깃 지름 d(㎜)를 형성하는 제1 통전 공정과,
가압한 채, 냉각하는 상기 제1 통전 공정 후의 통전 휴지 공정 (A)와,
추가로, 하기식 (2) 및 식 (3)을 만족하는 2단계의 전류값을 이용한 통전을 행하는 제2 통전 공정을,
이 순서로, 갖는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
3×√tm≤d≤6×√tm … 식 (1)
여기에서, tm은, 상기 2매 이상의 강판 중에서 가장 얇은 판의 판두께(㎜)이다.
Im<I21<Im×2.0 … 식 (2)
I22<I21 … 식 (3)
여기에서, I21 및 I22는, 각각 상기 2단계의 통전의 전단계 및 후단계의 전류값(kA)이다.
[2] 상기 제1 통전 공정 후의 통전 휴지 공정 (A)의 시간 Tc1이 하기식 (4)를 만족하는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 저항 스폿 용접 방법.
t/2<Tc1<t×5 … 식 (4)
여기에서, t는 상기 판조의 총 판두께(㎜)이며, 시간의 단위는(사이클/50Hz)이다.
[3] 상기 제2 통전 공정의 총 통전 시간 T2가, 하기식 (5) 및 식 (6)을 만족하는 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2]에 기재된 저항 스폿 용접 방법.
T2=T21+T22 … 식 (5)
여기에서, T21 및 T22는 각각 상기 전단계의 통전 시간 및 상기 후단계의 통전 시간이다.
T2<t×5 … 식 (6)
여기에서, t는, 판조의 총 판두께(㎜)이며, 시간의 단위는 (사이클/50Hz)이다.
[4] 상기 제2 통전 공정 후에, 가압한 채로의, 통전 휴지 공정 (B)와,
추가로, 하기식 (7)을 만족하는 통전을 행하는 제3 통전 공정을
이 순서로 갖는 것을 특징으로 하는 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 저항 스폿 용접 방법.
I3×I3×T3<I21×I21×T21+I22×I22×T22 … 식 (7)
여기에서, I3은, 제3 통전 공정의 전류값(kA), 그리고, I21 및 I22는, 각각 상기 2단계의 통전의 전단계 및 후단계의 전류값(kA)이며, T3은 제3 통전 공정의 통전 시간, T21 및 T22는 각각 상기 전단계의 통전 시간, 후단계의 통전 시간이며, 시간의 단위는 (사이클/50Hz)이다.
[5] 상기 제2 통전 공정 후의 상기 통전 휴지 공정 (B)의 시간 Tc2가, 하기식 (8)을 만족하는 것을 특징으로 하는 [4]에 기재된 저항 스폿 용접 방법.
Tc1/5<Tc2≤Tc1 … 식 (8)
여기에서, Tc1은 상기 제1 통전 후의 통전 휴지 공정 (A)의 시간이며, 시간의 단위는 (사이클/50Hz)이다.
[6] 추가로, 상기 제3 통전 공정의 1단계의 통전을 대신하여 2단계의 통전으로 하는 것을 특징으로 하는 [4] 또는 [5]에 기재된 저항 스폿 용접 방법.
[7] 추가로, 제2 통전 공정 후의 통전 휴지 공정 (B) 및 상기 제3 통전 공정을 1회 또는 2회의 범위에서, 반복하는 것을 특징으로 하는 [4] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 저항 스폿 용접 방법.
[8] 상기 2매 이상의 강판 중, 적어도 1매의 강판이 하기식을 만족하는 것을 특징으로 하는 [1] 내지 [7] 중 어느 하나에 기재된 저항 스폿 용접 방법.
0.25<Ceq<0.6
여기에서, Ceq=C+1/30×Si+1/20×Mn+2×P+4×S(%)이며, 우변은 강판의 각 원소의 함유량(질량%)이다.
본 발명에 의하면, 적어도 1매 이상의 고장력 강판을 포함하는 2매 이상의 판조에 대하여, 종래에 비하여 십자 인장 강도가 높은 저항 스폿 용접 조인트를 작성할 수 있다.
도 1은 저항 스폿 용접의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시 형태에 있어서의 각 공정에 있어서의 전류값과 시간의 관계를 나타내는 도면이다(실시예 1).
도 3은 본 발명에 따른 일 실시 형태에 있어서의 각 공정에 있어서의 전류값과 시간의 관계를 나타내는 도면이다(실시예 2).
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 저항 스폿 용접 방법은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 서로 겹친 1매 이상의 고강도 강판을 포함하는(여기에서는, 아래의 강판(1)과 위의 강판(2)의 2매 중, 강판 (1)이 고강도 강판임) 판조(3)를, 상하 한 쌍의 전극팁(아래의 전극팁(4)과 위의 전극팁(5))으로 사이에 끼우고, 가압, 통전하는 저항 스폿 용접에 의해 용접 접합하고, 필요 사이즈의 너깃(6)을 형성하여 저항 스폿 용접 조인트를 얻는 저항 스폿 용접 방법이다.
이 실시 형태에 있어서 적합하게 사용 가능한 용접 장치는, 상하 한 쌍의 전극팁을 구비하고, 한 쌍의 전극팁으로 용접하는 부분을 사이에 끼우고, 가압하여 통전할 수 있고, 용접 중에 가압력, 용접 전류를 각각 임의로 제어 가능한 가압력 제어 장치 및 용접 전류 제어 장치를 갖고 있으면 좋다. 가압 기구(에어 실린더나 서보 모터 등), 전류 제어 기구(교류나 직류 등), 형식(정치식(stationary type), 로봇 건 등) 등에는 특별히 한정되지 않는다. 이하의 설명에서 통전 시간의 단위는 특별히 언급하지 않는 한, (사이클/50Hz) 즉 0.02s를 의미한다. 또한, 단순히 「사이클」 또는 「cycle」이라고 표기하는 경우도 있다.
그리고, 이 실시 형태에 있어서의 본 발명 시공 순서를 도 2에 나타낸다. 종축은 전류값(RMS값)이며 횡축은 시간을 나타내고 있다.
제1 통전 공정
우선, 제1의 통전 공정(「제1 통전 공정」 또는 「본통전」이라고 하는 경우가 있음)은, 적어도 1매 이상의 고장력 강판을 포함하는 2매 이상의 강판을 서로 겹친 판조를, 한 쌍의 용접 전극으로 협지하고, 가압하면서 전류값 Im(kA)을 통전하고, 가장 얇은 강판의 판두께를 tm(㎜)으로 하여, 너깃 지름 d가,
3×√tm≤d≤6×√tm … 식 (1)
인 너깃을 형성하는 공정이다.
여기에서, 너깃 지름 d가, 3×√tm 이상으로 한 것은, 본 발명이 효과를 얻기 위해서는 일정한 너깃이 필요하기 때문이며, 6×√tm 이하로 한 것은 과대한 너깃을 형성한 경우, 냉각이 늦어져, 후열 통전에 의해 재용융되어 버릴 우려가 있기 때문이다.
또한, 제1 통전 공정의 통전 시간은 5사이클∼25사이클이 바람직하다. 본 제1 통전 공정에 의해, 건전한 너깃을 얻을 수 있다.
제1 통전 공정 후의 통전 휴지 공정 (A)
또한, 너깃을 급냉하여, 응고시키는 통전 휴지 공정 (A)가 있다. 이 공정에서는, 제1 통전 공정 후, 가압한 채, 무통전으로 냉각함으로써 미세한 응고 조직을 형성할 수 있다. 이 공정의 처리 시간인 통전 휴지 시간 Tc1은 응고를 확보하기 위한 하한과, 과잉한 냉각을 억제하여, 다음 공정의 효과를 유효하게 얻기 위한 상한을 규정하는 하기식 (4)를 만족하는 것이 바람직하다. 이 통전 휴지 공정 (A)에 의해, 너깃의 응고시의 편석은 보다 미세화되어, 우선 급속하게 냉각하는 것이 중요하다. 무통전으로 가압한 채로 하는 것은, 냉각 속도를 크게 취하기 위함이다.
t/2<Tc1(사이클/50Hz)<t×5 … 식 (4)
여기에서, t는 상기 판조의 총 판두께(㎜)이며, (사이클/50Hz)는 0.02s인 것을 의미한다.
이와 같이 함으로써, 냉각 후의 재가열의 효과를 최대로 얻을 수 있다. t/2<Tc1(사이클/50Hz)로 한 것은, 일정한 응고를 확보한 후에 있어서의 최소의 냉각 시간을 규정하고, 너깃의 냉각 속도는 총 판두께가 늘어날수록 늦어지기 때문에, 판두께에 따라서 최소 냉각 시간을 정의하지 않으면 안 되기 때문이다. 또한, Tc1(사이클/50Hz)<t×5로 한 것은, 너깃이 본 발명에 있어서 충분히 냉각된 상태로 하려면, 동일하게, 총 판두께에 대하여 5배의 시간으로 충분한 결과가 얻어졌기 때문이다. 이때, 통전 휴지 공정 (A)의 통전 휴지 시간 Tc1의 시간이 지나치게 긴 경우는 강판의 냉각이 지나치게 진행되어 버려, 그 후의 통전에 의한 열처리 효과의 제어가 곤란해지기 때문에, t의 4배 이하의 값으로 하는 것이 바람직하다.
2단계의 전류값을 이용한 통전을 행하는 제2 통전 공정
다음으로, 2단계의 통전을 행하는 제2 통전 공정을 행한다. 이 제2 통전 공정으로서 제1 통전 공정에서 너깃을 형성하는 주요한 역할을 하는 전류값 Im에 대하여, 제2 통전 공정의 통전이 2단계로 이루어지고, 전단계의 전류값 I21
Im<I21<Im×2.0 … 식 (2)
이며, 그 후의 후단계의 전류값 I22
I22<I21 … 식 (3)
이 되도록 용접을 행한다. Im<I21로 한 것은, 단시간에 재발열의 효과를 얻기 위함이기 때문이며, I21<Im×2.0으로 한 것은, 과대한 전류를 부하한 경우는 재용융, 튐의 원인이 되기 때문이다. I22<I21로 한 것은, 연화부의 온도가 과대해지는 것을 방지하기 위함이다.
이와 같이 규정함으로써, 안정되게 용접부를 고온으로 유지할 수 있다.
또한, 튐을 발생시키지 않고 급열하는 것과, 온도를 적절하게 유지하기 위해 전단계의 전류값 I21은, 1.2 이상 1.8 이하(Im×1.2≤I21≤Im×1.8)가 바람직하고, I22는 I21의 1/2 이상(I21×1/2≤I22<I21)이 바람직하다. 또한, 이 제2 통전 공정에 있어서의 전류값 I21 전에 업 슬로프나 I22 후에 다운 슬로프를 추가하는 것은 본 발명의 범위를 일탈하지 않는다.
제2 통전 공정의 총 통전 시간 T2
제2 통전 공정의 총 통전 시간 T2가, 전단계의 통전 시간 T21과 후단계의 통전 시간 T22와의 합
T2=T21+T22 … 식 (5)
로 나타날 때, 판조의 총 판두께 t(㎜)에 대하여,
T2(사이클/50Hz)<t×5 … 식 (6)
이 되도록 용접을 행하는 것이 바람직하다. 이때, T2는, 지나치게 짧으면 가열의 효과를 얻는 것이 어렵기 때문에, 적어도 t/2<T2가 되도록 설정함과 함께, 지나치게 길면 시공성을 악화시키는 점에서, T2≤t×3으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 업 슬로프 혹은 다운 슬로프를 행하는 경우는, 그 각각의 설정 시간은 T2보다도 짧은 것이 바람직하다.
제2 통전 공정 후에, 무통전으로 가압한 채로의, 통전 휴지 공정 (B)
본 발명에 따른 실시 형태의 용접 작업에 있어서, 제2 통전 공정 후에, 시간 Tc2를 무통전으로 가압한 채의 상태로 하는 통전 휴지 공정 (B)가 존재하는 것이 바람직하다. 통전 휴지 공정 (B)에 있어서, 가압한 채로 한 것은, 용접부를 전극에 의해 냉각하기 위함이다. 이 통전 휴지 공정 (B)는 반드시 필요하지는 않지만, 본 공정은 제2 공정의 발열을 재차 조정하여, 다음의 제3 통전 공정에 있어서의 발열을, 보다 효과적으로 하는 의의를 갖는다.
통전 휴지 공정 (B)에서의 가압의 압력은 3∼10㎫의 범위가 바람직하다. 이러한 가압력으로 함으로써, 전극과 강판의 접촉부를 충분히 확보하여, 균형이 좋은 냉각을 얻을 수 있기 때문이다.
제2 통전 공정 후의 통전 휴지 공정 (B)의 시간 Tc2(사이클/50Hz)는, 다음식 (8)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
Tc1/5<Tc2≤Tc1 … 식 (8)
여기에서, Tc1은 상기 제1 통전 후의 통전 휴지 공정 (A)의 시간이다. 이것은, 본 공정으로 이어지는, 제3 통전 공정의 입열을 제2 통전 공정의 입열보다도 낮게 설정하여, 냉각 시간을 규정함으로써 연화부의 확대를 최대화하는 것을 의도하고 있다.
제3 통전 공정
상기 제2 통전 공정 후의 통전 휴지 공정 (B) 후, 재차 통전을 행하는 제3 통전 공정을 행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 제3 통전 공정의 전류값을 I3(kA)으로 하고, 통전 시간을 T3으로 하면, I21, I22(kA) 및 T21, T22에 대하여, 다음식 (7)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
I3×I3×T3>I21×I21×T21+I22×I22×T22 … 식 (7)
I3은, 제3 통전 공정의 전류값(kA), 그리고 I21 및 I22는, 각각 상기 2단계의 통전의 전단계 및 후단계의 전류값(kA)이고, T3(s)는 제3 통전 공정의 총 통전 시간, T21(s) 및 T22(s)는 각각 상기 전단계의 통전 시간, 후단계의 통전 시간이다.
이것은, 제3 통전 공정의 입열을 제2 통전 공정의 입열보다도 높게 설정함으로써, 연화부의 확대를 최대화하는 것을 의도하고 있다.
또한, 제3 통전 공정의 통전을 2단계로 하고, 전단의 전류값을 I31로 하여
Im≤I31<Im×2.0
으로 하고, 후단의 전류값을 I32로 하면,
I32<I31
로 함으로써 효과를 더욱 높일 수 있다.
이때,
I31×I31×T31+I32×I32×T32>I21×I21×T21+I22×I22×T22 … 식 (11)
로 하는 것이 보다 바람직하다. 여기에서, T21 및 T22는 각각 제2 통전 공정의 전단 및 후단의 통전 시간, T31 및 T32는, 각각 제3 통전 공정의 전단 및 후단의 통전 시간(사이클/50Hz)이다.
(11)식은 (7)식과 동일하게, 제3 통전 공정의 입열을 제2 통전 공정의 입열보다도 높게 설정함으로써, 연화부의 확대를 최대화하는 것을 의도하고 있다. 또한, 제2 통전 공정과 동일하게, 제3 통전 공정에 있어서의 전류값 I31 전에 업 슬로프나 I32 후에 다운 슬로프를 추가하는 것은, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는다. 또한, 업 슬로프 혹은 다운 슬로프를 행하는 경우는, 그 각각의 설정 시간은 T3보다도 짧은 것이 바람직하다.
또한, 본 용접법은 2매 이상의 강판 중, 적어도 1매의 강판의 인장 강도가, 440㎫ 이상임으로써 본 발명의 효과를 더욱 얻을 수 있다. 또한, 적어도 1매의 강판의 인장 강도가, 980㎫ 이상에서, 더 한층의 효과를 얻을 수 있다. 2매 이상의 강판 중, 적어도 1매의 강판의 탄소 당량 Ceq는, 0.25<Ceq<0.6의 범위인 것이 바람직하다. 또한, Ceq=C+1/30×Si+1/20×Mn+2×P+4×S(단위; 질량%)로 한다.
[실시예 1]
본 발명의 실시예로서, 전술한 도 1에 나타낸 바와 같이, 2매의 강판(아래의 강판(1), 위의 강판(2))을 겹친 판조(3)에 대해서, C건(용접 건)에 부착된 서보 모터 가압식으로 단상 교류(50Hz)의 저항 용접기를 이용하여 저항 스폿 용접을 행하여, 저항 스폿 용접 조인트를 제작했다. 또한, 사용한 한 쌍의 전극팁(아래의 전극팁(4), 위의 전극팁(5))은, 모두, 선단의 곡률 반경 R40, 선단 지름 6㎜를 갖는 알루미나 분산 구리의 DR형 전극으로 했다.
시험편으로서, 440㎫급에서 1470㎫급까지의 1.0㎜ 내지 2.0㎜의 나강판(bare steel sheet)을 사용했다. JIS Z3137에 기초하여 용접 및 인장 시험을 행했다. 또한, 본통전 조건은, 가압력을 3.5kN, 제1 통전 공정(본통전 공정)의 시간 Ta를 소정의 너깃이 얻어지도록 10∼16사이클로 일정하게 했다. 표 중 CTS란 JIS Z3137에 정하는 십자 인장 시험에 의한 파단 강도(십자 인장 강도)이다. 그 외의 스퀴즈 시간 혹은 슬로프 시간에 대해서는 설정하지 않았다. 홀드 타임은 1사이클로 설정했다.
본 발명예로서, 상기의 본 발명의 일 실시 형태에 기초하여 저항 스폿 용접을 행했다. 각 파라미터의 정의는 도 2에 나타낸다. 한편, 비교예 (1)로서 본통전만을 행하는 경우, 비교예 (2)로서 통전 휴지에 의한 냉각과 통전을 반복한 것을 행했다.
표 1에, 본 발명예 및 각 비교예의 용접 조건과 용접 결과를 나타낸다. 본 발명예에 있어서는, 비교예 (1) 및 (2)에 비하여, 십자 인장 강도의 향상이 확인되었다.
Figure pct00001
[실시예 2]
본 발명의 실시예로서, 전술한 도 1에 나타낸 바와 같이, 2매의 강판(아래의 강판(1), 위의 강판(2))을 겹친 판조(3)에 대하여, C건(용접 건)에 부착된 서보 모터 가압식으로 단상 교류(50Hz)의 저항 용접기를 이용하여 저항 스폿 용접을 행하여, 저항 스폿 용접 조인트를 제작했다. 또한, 사용한 한 쌍의 전극팁(아래의 전극팁(4), 위의 전극팁(5))은, 모두, 선단의 곡률 반경 R40, 선단 지름 6㎜를 갖는 알루미나 분산 구리의 DR형 전극으로 했다.
시험편으로서, 1180㎫급의 1.6㎜의 나강판을 사용했다. JIS Z3137에 기초하여 용접 및 인장 시험을 행했다. 또한, 본통전 조건을 가압력을 3.5kN, 제1 통전 공정(본통전 공정)의 시간 Ta를 14사이클로 했다.
그 외의 스퀴즈 시간 혹은 슬로프 시간에 대해서는 설정하지 않았다. 홀드 타임은 1사이클로 설정했다.
본 발명예로서, 상기의 본 발명의 일 실시 형태에 기초하여 저항 스폿 용접을 행했다. 각 파라미터의 정의는 도 3에 나타낸다. 도 3에는 제3 통전 공정의 1단계의 통전을 대신하여 2단계의 통전으로 하는 것의 예가 나타나 있다. 한편, 비교예 (1)로서 본통전만을 행하는 경우, 비교예 (2)로서 통전 휴지에 의한 냉각과 통전을 반복한 것을 행했다.
표 2에, 본 발명예 및 각 비교예의 용접 조건과 용접 결과를 나타낸다. 표중 CTS란 JIS Z3137에 정하는 십자 인장 시험에 의한 파단 강도(십자 인장 강도)이다. 본 발명예에 있어서는, 비교예 (1) 및 (2)에 비하여, 십자 인장 강도의 향상이 확인되었다.
Figure pct00002
1 : 아래의 강판
2 : 위의 강판
3 : 판조
4 : 아래의 전극
5 : 위의 전극
6 : 너깃
d : 너깃 지름
t : 총 판두께

Claims (8)

  1. 2매 이상의 강판을 서로 겹친 판조(板組)를, 한 쌍의 용접 전극으로 협지하고, 가압하면서 통전하여 용접하는 저항 스폿 용접 방법으로서,
    전류값 Im(kA)을 통전하고, 하기식 (1)을 만족하는 너깃 지름 d(㎜)를 형성하는 제1 통전 공정과,
    가압한 채, 냉각하는 상기 제1 통전 공정 후의 통전 휴지 공정 (A)와,
    추가로, 하기식 (2) 및 식 (3)을 만족하는 2단계의 전류값을 이용한 통전을 행하는 제2 통전 공정을,
    이 순서로, 갖는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
    3×√tm≤d≤6×√tm … 식 (1)
    여기에서, tm은, 상기 2매 이상의 강판 중에서 가장 얇은 판의 판두께(㎜)이다.
    Im<I21<Im×2.0 … 식 (2)
    I22<I21 … 식 (3)
    여기에서, I21 및 I22는, 각각 상기 2단계의 통전의 전단계 및 후단계의 전류값(kA)이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 통전 공정 후의 통전 휴지(休止) 공정 (A)의 시간 Tc1이 하기식 (4)를 만족하는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
    t/2<Tc1<t×5 … 식 (4)
    여기에서, t는 상기 판조의 총 판두께(㎜)이며, 시간의 단위는 (사이클/50Hz)이다.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 통전 공정의 총 통전 시간 T2가, 하기식 (5) 및 식 (6)을 만족하는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
    T2=T21+T22 … 식 (5)
    여기에서, T21 및 T22는 각각 상기 전단계의 통전 시간 및 상기 후단계의 통전 시간이다.
    T2<t×5 … 식 (6)
    여기에서, t는, 판조의 총 판두께(㎜)이며, 시간의 단위는 (사이클/50Hz)이다.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 통전 공정 후에, 가압한 채로의, 통전 휴지 공정 (B)와,
    추가로, 하기식 (7)을 만족하는 통전을 행하는 제3 통전 공정을
    이 순서로 갖는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
    I3×I3×T3≥I21×I21×T21+I22×I22×T22 … 식 (7)
    여기에서, I3은, 제3 통전 공정의 전류값(kA), 그리고, I21 및 I22는, 각각 상기 2단계의 통전의 전단계 및 후단계의 전류값(kA)이며, T3은 제3 통전 공정의 통전 시간, T21 및 T22는 각각 상기 전단계의 통전 시간, 후단계의 통전 시간이며, 시간의 단위는 (사이클/50Hz)이다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 통전 공정 후의 상기 통전 휴지 공정 (B)의 시간 Tc2가, 하기식 (8)을 만족하는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
    Tc1/5<Tc2≤Tc1 … 식 (8)
    여기에서, Tc1은 상기 제1 통전 후의 통전 휴지 공정 (A)의 시간이며, 시간의 단위는 (사이클/50Hz)이다.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    추가로, 상기 제3 통전 공정의 1단계의 통전을 대신하여 2단계의 통전으로 하는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가로, 제2 통전 공정 후의 통전 휴지 공정 (B) 및 상기 제3 통전 공정을 1회 또는 2회의 범위에서, 반복하는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2매 이상의 강판 중, 적어도 1매의 강판이 하기식을 만족하는 것을 특징으로 하는 저항 스폿 용접 방법.
    0.25<Ceq<0.6
    여기에서, Ceq=C+1/30×Si+1/20×Mn+2×P+4×S(%)이며, 우변은 강판의 각 원소의 함유량(질량%)이다.
KR1020147012748A 2011-10-18 2012-10-17 고장력 강판의 저항 스폿 용접 방법 및 저항 스폿 용접 조인트 KR101588257B1 (ko)

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