第2章熔焊基本原理講解課件

第二章

熔焊基本原理

§2-1焊接電弧§2-2焊接熱過程§2-3焊接冶金§2-4焊接裂紋§2-5焊接接頭的金相組織和機(jī)械性能§2-6焊縫及焊接接頭的形式和特點(diǎn)§2-1焊接電弧

實(shí)現(xiàn)焊接過程必需由外界提供相應(yīng)的能量，對于熔化焊來講，采用的能源主要是熱能源，而焊接電弧就是熱能源中應(yīng)用最為廣泛的一種。

焊接電弧就是一種大功率、持續(xù)的氣體放電現(xiàn)象。電弧是由兩個(gè)電極和他們之間的氣體空間所組成。

一、焊接電弧的構(gòu)造電弧在其整個(gè)長度方向上電壓是不均勻的，是由三個(gè)電場強(qiáng)度不同的區(qū)域構(gòu)成的，這說明各區(qū)域的導(dǎo)電機(jī)理是不同的，據(jù)此把電弧分為三個(gè)區(qū)域：陽極附近的區(qū)域稱為陽極區(qū)，陰極附近的區(qū)域稱為陰極區(qū)，而中間部分稱為弧柱區(qū)。

1、陽極區(qū)：陽極壓降：陽極區(qū)電壓降稱為陽極壓降，沿弧長方向的尺寸約為10-4~10-2厘米，該區(qū)電流主要由電子流組成；陽極斑點(diǎn)：陽極表面上存在一個(gè)光亮的斑點(diǎn)叫陽極斑點(diǎn)。是電子流集中射擊的地方。陽極斑點(diǎn)溫度比陰極斑點(diǎn)的溫度高。2、陰極區(qū)陰極壓降：陰極區(qū)電壓降稱為陰極壓降，沿弧長方向的尺寸約為10-5厘米，該區(qū)電流主要由電子流和正離子流組成，陰極斑點(diǎn)：陰極表面上同樣存在一個(gè)光亮的斑點(diǎn)叫陰極斑點(diǎn)，是電子流集中發(fā)射的地方。陰極霧化作用：陰極斑點(diǎn)有清除陰極表面氧化膜的作用，稱為陰極霧化作用，又稱陰極破碎作用。3、弧柱區(qū)

弧柱區(qū)的長度比陰極區(qū)和陽極區(qū)大的多，占弧長的絕大部分，可以認(rèn)為弧柱長度基本等于電弧的長度。

二、焊接電弧的溫度1、電弧溫度沿徑向的分布：中心處溫度高而四周低2、電弧溫度沿軸向的分布：弧柱的溫度較高，可達(dá)5000~8000k以上，兩個(gè)電極上溫度較低三、焊接電弧的穩(wěn)定性

焊接電弧的穩(wěn)定性是指電弧電壓和焊接電流能否保持相對穩(wěn)定，同時(shí)保持一定的弧長不偏吹、不搖擺、不熄滅

。影響電弧穩(wěn)定性的因素

1、弧焊電源2、焊條藥皮3、氣流4、焊接處不清潔5、電弧的磁偏吹

1、弧焊電源：弧焊電源的種類和極性都影響電弧的穩(wěn)定性。直流電源的電弧要比交流電源的電弧穩(wěn)定；空載電壓較高的弧焊電源其電弧較空載電壓低的穩(wěn)定；有良好動(dòng)特性的弧焊電源容易保證電弧穩(wěn)定；采用直流電源焊接時(shí)，如果用堿性焊條則必須采用直流反接才能使電弧穩(wěn)定燃燒，而不能用直流正接。（2）、電源的極性某些堿性焊條（低氫型焊條）采用直流反接才能使電弧穩(wěn)定燃燒。2、焊條藥皮

當(dāng)焊條藥皮中含有較多低電離電位元素（如鉀，鈉等）或它們的化合物時(shí)，容易保持電弧穩(wěn)定燃燒。

當(dāng)焊條藥皮中含有較多氟化物時(shí)，電弧穩(wěn)定性下降焊條偏心容易引起電弧偏吹，藥皮局部剝落的焊條，電弧偏吹更為嚴(yán)重。也影響電弧的穩(wěn)定性。

3、氣流在露天（如室外船臺）進(jìn)行焊接時(shí)，風(fēng)對電弧的穩(wěn)定性影響很大，特別是對氣體保護(hù)焊，嚴(yán)重時(shí)甚至無法施焊。4、焊接處不清潔焊接處的鐵銹、水份及油污等物質(zhì)影響電弧的穩(wěn)定性。5、電弧的磁偏吹（1）什么叫磁偏吹：由于電弧自身磁場促使電弧偏離焊條軸線方向的現(xiàn)象叫做電弧的磁偏吹。因?yàn)殡娀∈且环N導(dǎo)通電流的導(dǎo)體，而任何通電導(dǎo)體周圍都要產(chǎn)生磁場，而磁場又會反過來對電流產(chǎn)生力的作用。在正常情況下電弧在焊條軸線周圍產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度是均勻的，電弧保持焊條軸向位置，如果由于種種原因使這種磁力線分布的均勻性受到破壞，電弧就會受到周圍不均勻的電磁力的作用而偏離焊條軸線方向。

（2）磁偏吹產(chǎn)生的原因：

電弧兩側(cè)磁力線分布不均勻（可由接線不當(dāng)、電弧兩側(cè)鐵磁物質(zhì)分布不均引起）。（1）導(dǎo)線接線位置不當(dāng)：焊接時(shí)不只是通過焊條的電流會在電弧空間產(chǎn)生磁場而且通過工件的電流也會在電弧空間產(chǎn)生磁場，如果接線位置不當(dāng)如圖2-7（c）、（d）那樣接線，由于電流通路在電弧處相互垂直，則在電弧左側(cè)（c圖）或右側(cè)（d圖）的空間為兩段電流導(dǎo)體（電弧和工件）產(chǎn)生的同方向的磁力線相互迭加從而提高了該處的磁力線密度，而電弧另一側(cè)的空間只有電弧本身產(chǎn)生的磁力線，因此電弧倆側(cè)的磁力線分布不均勻，故磁力線密度大的一側(cè)對電弧產(chǎn)生的推力大，磁力線密度小的一側(cè)對電弧產(chǎn)生的推力小，由此使電弧偏離焊條軸線。（2）電弧附近有鐵磁性物質(zhì)：當(dāng)電弧一側(cè)放置一塊鋼板（良導(dǎo)磁體）時(shí)，則電弧將離開焊條軸線偏向鋼板，如圖2—8所示。這是因?yàn)樵陔娀∫粋?cè)放置鋼板以后，鋼板是良導(dǎo)磁體，磁力線將力求走磁阻小的通路，較多的磁力線集中到鋼板中，電弧右側(cè)的空間的磁力線密度顯著降低，破壞了空間磁力線分布的均勻性，使電弧偏向了有鋼板的一側(cè)，看上去好向鋼板吸引了電弧，實(shí)質(zhì)上是被電弧另一邊較強(qiáng)的磁場推了過來，電弧一側(cè)放置的鋼板越大或距離越近，引起的磁力線分布的不均勻性就越大，電弧的磁偏吹就越厲害。（3）防止電弧磁偏吹的措施：◆適當(dāng)改變接線的位置；◆盡可能使弧柱周圍的磁力線分布均勻；◆適當(dāng)調(diào)整焊條的傾斜角度使焊條朝電弧偏吹的方向傾斜；◆采用短弧焊或改用交流電源?！?-2焊接熱過程一、焊接溫度場焊接時(shí)某瞬時(shí)工件上各點(diǎn)溫度的分布稱為溫度場，通常用等溫線或等溫面來表示。所謂等溫線、等溫面就是把焊件上瞬時(shí)溫度相同的各點(diǎn)連接在一起，形成一條線或一個(gè)面。

焊接溫度場二、焊接熱循環(huán)在焊接過程中熱源沿焊件移動(dòng)時(shí)，焊件上的某點(diǎn)溫度隨時(shí)間由低而高，達(dá)到最大值后，又由高而低的變化稱為焊接熱循環(huán)。

焊縫兩側(cè)距焊縫遠(yuǎn)近不同的各點(diǎn)所經(jīng)歷的熱循環(huán)是不同的。研究焊接熱循環(huán)主要考慮以下四個(gè)參數(shù)：1、加熱速度ωH

在焊接條件下的加熱速度比熱處理?xiàng)l件下的要快的多，而且隨著加熱速度的提高，相變溫度也隨之提高。同時(shí)奧氏體的勻質(zhì)化和碳化物的溶解過程也隨加熱速度的提高而不充分，因此必然影響到冷卻過程中熱影響區(qū)的組織和性能。

2、加熱的最高溫度Tm

我們知道，金屬組織的變化除受化學(xué)成分影響之外，主要與加熱溫度和冷卻速度有關(guān)。焊接時(shí)焊件上不同的點(diǎn)加熱的最高溫度不同，冷卻速度不同就會有不同的組織和不同的性能。

3、在相變溫度以上的停留時(shí)間tH

在相變溫度以上的停留時(shí)間越長，就越會有利于奧氏體的勻質(zhì)化過程。

4、冷卻速度ωc

冷卻速度是決定熱影響區(qū)組織性能最重要的參數(shù)之一，是研究熱過程的主要內(nèi)容?！?-3焊接冶金

在熔焊過程中，焊接區(qū)內(nèi)各種物質(zhì)之間在高溫下相互作用的過程，稱為焊接化學(xué)冶金過程。其中不僅包括化學(xué)變化，而且包括物質(zhì)在作用相之間的遷移和分布過程，是個(gè)極為復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程。這些過程對焊縫金屬的成分、性能、焊接缺陷（如氣孔，裂紋）以及焊接工藝性能都有很大的影響，因此引起人們廣泛深入的研究，現(xiàn)已發(fā)展成為焊接理論的一個(gè)重要分支——焊接化學(xué)冶金學(xué)。研究它們的主要目的就是在于尋找一些合適的方法和途徑來消除焊縫金屬中的有害雜質(zhì)，增加焊縫金屬中所需的有益合金元素，減少可能產(chǎn)生的焊接缺陷，保證焊縫金屬的性能。本節(jié)我們主要介紹焊接冶金中的

:一、合金過渡二、脫氧三、脫硫四、脫磷五、焊縫中的氣孔一、合金過渡

1、什么是合金過渡

合金過渡就是把所需要的合金元素通過焊接材料過渡到焊縫金屬中去的過程。2、合金過渡的目的：(1)補(bǔ)償焊接過程中由于蒸發(fā)，氧化等原因造成的合金元素的損失；(2)消除焊接缺陷，改善焊縫金屬的組織和性能。(3)獲得具有特殊性能的堆焊金屬。3、常用的合金過渡的方式：①、應(yīng)用合金焊絲或帶極；這種方式是把所需要的合金元素加入焊絲內(nèi)，從而使合金元素過渡到焊縫中去。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可靠、焊縫成分穩(wěn)定、均勻、合金損失少。缺點(diǎn)是制造麻煩，改變成分不靈活，某些硬質(zhì)合金不宜于軋制、拔絲。②、應(yīng)用藥芯焊絲；這種方法的優(yōu)點(diǎn)是藥芯中各種合金成分的比例可以任意調(diào)節(jié)，從而可以得到任意成分的堆焊金屬；合金的損失比較少。缺點(diǎn)是不易制造，合金成分難以混合均勻。③、應(yīng)用合金藥皮或陶質(zhì)焊劑這種方式是將所需要的合金元素以純金屬或鐵合金粉的形式加入焊條藥皮或陶質(zhì)焊劑中，配合普通焊絲使用。它的優(yōu)點(diǎn)是簡單方便，制造容易。但由于氧化損失較大并有一部分殘留在渣中，故合金利用率比較低。二、脫氧1、脫氧就是通過焊絲或藥皮加入某種元素，使它本身在焊接過程中被氧化，從而保護(hù)被焊金屬及其合金元素不被氧化的過程。

2、脫氧劑：用來脫氧的元素或鐵合金叫脫氧劑。

3、脫氧的目的：盡量減少焊縫中的含氧量。選擇脫氧劑的原則是：1、脫氧劑在焊接溫度下對氧的親和力應(yīng)比被焊金屬對氧的親和力大。焊接鐵基合金時(shí)，C、Al、Ti、Mn、Si等可以作為脫氧劑。在實(shí)際生產(chǎn)上。常用它們的鐵合金或金屬粉，如錳鐵、硅鐵、鈦鐵、鋁粉等。在其他條件相同的情況下，元素對氧的親和力越大，脫氧能力越強(qiáng)。2、脫氧的產(chǎn)物不溶于液體金屬，并且它的比重應(yīng)小于液體金屬的比重。應(yīng)該指出，如果生成的脫氧產(chǎn)物處于固態(tài)，則容易造成夾雜，而且其顆粒越小，造成成夾雜的可能性越大。相反，脫氧產(chǎn)物處于液態(tài)，則由于它在液態(tài)金屬中容易聚集長大，并浮到熔渣中去，故可減少夾雜物的數(shù)量，提高脫氧效果。

脫氧反應(yīng)是分階段和區(qū)域進(jìn)行的，按其進(jìn)行的方式和特點(diǎn)可分為先期脫氧、沉淀脫氧和擴(kuò)散脫氧。1、先期脫氧在藥皮加熱階段，固態(tài)藥皮中進(jìn)行的脫氧反應(yīng)叫先期脫氧，其特點(diǎn)是脫氧過程和脫氧產(chǎn)物與熔滴金屬不發(fā)生直接關(guān)系。

當(dāng)含有脫氧劑的藥皮被加熱時(shí)，其中的高價(jià)氧化物或碳酸鹽分解出的氧和二氧化碳便和脫氧劑發(fā)生相互作用，如Fe2O3+Mn=MnO+2FeOFeO+Mn=MnO+FeMnO2+Mn=2MnOCaCO3+Mn=MnO+CaO+CO2CaCO3+Si=SiO2+2CaO+2CO

反應(yīng)的結(jié)果使氣相的氧化性減弱，起到先期脫氧的作用。

2、沉淀脫氧沉淀脫氧是在熔滴和熔池內(nèi)進(jìn)行的，其原理是利用溶解在液態(tài)金屬中的脫氧劑和FeO直接反應(yīng)把鐵還原，脫氧產(chǎn)物浮出液態(tài)金屬。這是減少焊縫含氧量的具有決定意義的一環(huán)。

常用的脫氧反應(yīng)有：錳的脫氧反應(yīng)、硅的脫氧反應(yīng)和硅孟聯(lián)合脫氧，化學(xué)方程式如下：[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2)

所謂硅錳聯(lián)合脫氧就是把錳和硅按適當(dāng)?shù)谋壤尤虢饘僦羞M(jìn)行聯(lián)合脫氧，可以得到更好的脫氧效果。實(shí)踐證明，當(dāng)[Mn]/[Si]=3~7時(shí)，脫氧產(chǎn)物可形成復(fù)合硅酸鹽，它的比重小，熔點(diǎn)低，在鋼液中處于液態(tài)，因此容易聚合為半徑大的質(zhì)點(diǎn)，浮到熔渣中去，減少焊縫中的夾雜物，從而降低了焊縫中的含氧量。3、擴(kuò)散脫氧

焊接過程中產(chǎn)生的FeO既溶于渣又溶于液態(tài)鋼，在一定溫度下平衡時(shí)，它在兩相中的濃度應(yīng)符合分配定律：

L=(FeO)/[FeO]

式中：L為分配常數(shù)，

(FeO)為FeO在渣中的濃度，

[FeO]為FeO在液態(tài)鋼中的濃度。當(dāng)溫度下降時(shí)分配常數(shù)L增大，發(fā)生如下擴(kuò)散過程：[FeO]→(FeO)，這意味著在熔池尾部的低溫區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散脫氧。在焊接條件下，冷速大，擴(kuò)散時(shí)間短，氧的擴(kuò)散又慢，所以擴(kuò)散脫氧是不充分的。

三、脫硫1、硫的危害（p16）（1）形成低熔共晶，增加熱裂紋傾向。

低熔共晶：（2）降低沖擊韌性和抗腐蝕性

——應(yīng)盡量減少焊縫中的含硫量

硫是焊縫金屬中有害的雜質(zhì)之一。當(dāng)硫以FeS的形式存在時(shí)危害性最大，因?yàn)樗c液態(tài)鐵幾乎可以無限互溶，而在室溫下它在固態(tài)鐵中的溶解度僅為0.015~0.02%，因此在熔池結(jié)晶時(shí)它容易發(fā)生偏析，以低熔共晶Fe+FeS(熔點(diǎn)為985℃)或FeS+FeO（熔點(diǎn)為940℃）的形式呈片狀或鏈狀分布于晶界。這樣就增加了焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向，同時(shí)還會降低沖擊韌性和抗腐蝕性。在焊接合金鋼，尤其是高鎳合金鋼時(shí)硫的有害作用更為嚴(yán)重。因?yàn)榱蚺c鎳形成NiS，而NiS又與鎳形成熔點(diǎn)更低的共晶NiS+Ni（熔點(diǎn)為644℃），所以產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向更大。當(dāng)鋼焊縫含碳量增加時(shí)，也會促使硫發(fā)生偏析，從而增加它的危害性。由于上述原因，應(yīng)盡量減少焊縫中的含硫量，一般在低碳鋼焊縫中應(yīng)控制含硫量小于0.035%，而合金鋼焊縫則應(yīng)小于0.025%。

減少焊縫中含硫量的措施有以下幾點(diǎn)：1、限制焊接材料中的含硫量

焊縫中的硫主要來原有三個(gè)方面：一是母材，其中的硫幾乎可以全部過渡到焊縫中去；二是焊絲，其中的硫約有70~80%可以過渡到焊縫中去；三是藥皮或焊劑，其中的硫約有50%可以過渡到焊縫中去?？梢?，嚴(yán)格控制焊接材料的含硫量是限制焊縫含硫量的關(guān)鍵措施。在通常情況下，應(yīng)按有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)選擇原材料，低碳鋼及低合金鋼焊絲的含硫量應(yīng)小于0.03~0.04%；合金鋼焊絲應(yīng)小于0.025~0.03%；不銹鋼焊絲應(yīng)小于0.02%。藥皮，藥芯和焊劑的原材料，如錳礦、赤鐵礦、鈦鐵礦、錳鐵等都含有一定的硫而且含量變動(dòng)幅度較大，對焊縫含硫量有較大影響應(yīng)嚴(yán)加控制。2、用冶金方法脫硫

為了減少焊縫金屬中的含硫量，如同脫氧一樣，可以選擇對硫的親和力比鐵大的元素進(jìn)行脫硫。在焊接化學(xué)冶金學(xué)中常用的脫硫元素是錳，其脫硫反應(yīng)方程式為：

[FeS]+[Mn]=(MnS)+[Fe]反應(yīng)的產(chǎn)物MnS進(jìn)入熔渣。熔渣中的堿性金屬氧化物，如MnO，CaO等也能脫硫，其反應(yīng)如下：

[FeS]+(MnO)=(MnS)+(FeO)[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)

生成的CaS和MnS不熔于金屬而進(jìn)入熔渣中。根據(jù)質(zhì)量作用定律可以看出，增加渣中的MnO和CaO的含量，減少渣中的FeO的含量，有利于脫硫。由于堿性渣中MnO和CaO的含量較多，而酸性渣中FeO的含量較多，所以酸性渣的脫硫能力比堿性渣差，增加熔渣的堿度可以提高脫硫能力。

四、脫磷1、磷的危害（1）形成低熔共晶，增加熱裂紋傾向；（2）使焊縫金屬沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。

磷在多數(shù)鋼焊縫中是一種有害的雜質(zhì)。在液態(tài)鐵中可溶解較多的磷，并認(rèn)為主要以Fe2P和Fe3P的形式存在，而磷在固態(tài)鐵中的溶解度只有千分之幾。磷與鐵和鎳還可以形成低熔共晶，如Fe3P+Fe（熔點(diǎn)為1050℃），Ni3P+Ni（熔點(diǎn)為880℃）。因此在熔池快速結(jié)晶時(shí)，磷易發(fā)生偏析。磷化鐵常分布于晶界，減弱了晶粒之間的結(jié)合力，同時(shí)它本身既硬又脆。這就增加了焊縫金屬的冷脆性，即沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。焊接奧氏體鋼或焊縫含碳量高時(shí)，磷也促使形成結(jié)晶裂紋。因此有必要限制焊縫的含磷量。為減少焊縫的含磷量，首先必須限制母材、填充金屬、藥皮、焊劑中的含磷量，2、減少焊縫的含磷量的措施

主要是限制母材、填充金屬、藥皮、焊劑中的含磷量；藥皮和焊劑中的錳礦是導(dǎo)致焊縫增磷的主要來源。

（靠冶金反應(yīng)脫硫效果不理想）

磷一旦進(jìn)入液態(tài)金屬，就應(yīng)當(dāng)采用脫磷的方法將其清除。脫磷反應(yīng)分為兩步：第一步將磷氧化生成P2O5；第二步使之與渣中的堿性氧化物生成穩(wěn)定的磷酸鹽;

反應(yīng)方程式為：2[Fe3P]+5(FeO)==P2O5+11[Fe]P2O5+3(CaO)==((CaO)3P2O5)P2O5+4(CaO)==((CaO)4P2O5)

從這兩階段的脫磷反應(yīng)可以看出，要同時(shí)有足夠的FeO和CaO，脫磷效果才好。但無論是酸性焊條或是堿性焊條，都不同時(shí)具備這兩種氧化物。酸性焊條熔渣中自由FeO雖多，但較少CaO；而堿性焊條熔渣中CaO雖多，但FeO較少。所以兩種焊條的脫磷能力都不理想，一般是要嚴(yán)格控制原材料中的含磷量，以預(yù)防為主。五、焊縫中的氣孔

氣孔是焊接生產(chǎn)中常常遇到的一種缺陷，氣孔不僅出現(xiàn)在焊縫的表面，有時(shí)也出現(xiàn)在焊縫的內(nèi)部，并且在焊接生產(chǎn)中不易用簡單的方法檢查出來，因此它的危害性更為嚴(yán)重。焊縫中常出現(xiàn)有各式各樣的氣孔，有時(shí)以單個(gè)的形式分布在焊縫的表面或內(nèi)部；有時(shí)以成堆的形式聚集在焊縫的某個(gè)地方。從形成氣孔的氣體種類來看，氣孔還可以分為氫氣孔，氮?dú)饪缀鸵谎趸細(xì)饪??？傊?，氣孔的類型十分繁多?、焊縫中氣孔產(chǎn)生的原因

焊接過程中熔池周圍充滿大量氣體，這些氣體來自周圍的空氣、焊條藥皮和焊劑的分解，焊件上的鐵銹、油漆、油脂和水分等受熱后也能產(chǎn)生大量氣體，這些氣體在電弧高溫下通過化學(xué)反應(yīng)或溶解等作用進(jìn)入熔池，使熔池金屬吸收了相當(dāng)數(shù)量的氣體；同時(shí)，在熔池中進(jìn)行的冶金反應(yīng)也會產(chǎn)生一些氣體。當(dāng)熔池溫度下降時(shí)，氣體在液體金屬中的溶解度逐漸減少，而當(dāng)液體金屬結(jié)晶時(shí)，氣體的溶解度則急劇減少，隨著溫度降低，氣體在鐵水中的溶解度急劇降低，因此，不斷有氣體從液體金屬中析出，逐漸集聚、長大形成氣泡并上浮，如果氣泡排出比較快，熔池結(jié)晶慢，則氣泡可以充分排出不致形成氣孔，但是如果氣泡的產(chǎn)生正處在熔池結(jié)晶過程，而且氣泡又來不及逸出，這樣便殘留在焊縫中形成氣孔。(1)熔池中氣體的來源

(p17下~p18）①周圍的空氣；②焊條藥皮和焊劑的分解；③焊件上的鐵銹、油漆、油脂和水分；④熔池中的冶金反應(yīng)(2)形成氣孔的氣體種類：（p18圖下）第一類：高溫時(shí)某些氣體溶解于熔池金屬中，當(dāng)結(jié)晶和相變時(shí)，氣體的溶解度突然下降而從金屬中析出的氣體，如H2和N2；第二類：由于冶金反應(yīng)產(chǎn)生的不溶于金屬的氣體，如CO

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