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超声波焊技术的研究现状

编辑:天津市金桥焊材集团有限公司  时间:2012/05/18  字号:
摘要:超声波焊技术的研究现状
    超声波焊是利用超声波频率(超过16kHz)的机械振动能量,连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷的特殊焊接方法;焊接时既不向工件输送电流,也不向工件引入高温热源,只是在静压力下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及随后有限的温升;接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的,因而是一种固态焊接[1]。工作原理如附图所示。随着超声波应用的广泛,这一领域引起了学者广泛的关注和兴趣。本文将从超声波焊的焊接工艺参数以及新进展等两方面对2005~2011年间的研究现状作一综述。
    1     超声波焊工艺参数
    超声波焊接的主要工艺参数为功率P、焊接时间t、静压力F及振幅A以及振动频率f。
    1.1  功率P[1]
    功率P主要由工件的厚度δ及材料的硬度H所确定,公式为:P=KH3/2δ3/2,  K为系数。
    1.2  振幅A[1]
    振幅常常被用来表示功率的大小, 公式为:P=μSFν=4μSFAf,振幅值大小与聚能器的放大系数有关,常见振幅为5~25μm。
    1.3  静压力F[1]
    静压力是直接影响功率输出及工件变形条件的重要因素,主要由材料厚度及硬度所确定。
    1.4  焊接时间t[2]
    超声波焊接时间是指功率输入工件的时间。焊接时间太短时,焊接接头强度不足,甚至未焊合;焊接时间太长时,焊接接头容易产生疲劳损伤。
    随着超声波焊广泛的应用,对超声波焊接工艺参数优化的研究也越来越广泛。如Sooriyamoorthy Elangovan[3][4] 等人对Al-Al、Al-Al2O3和Cu-Cu超声波焊接进行了工艺研究,研究表明:在Al-Al焊接时,最佳工艺参数为焊接时间2.5s、焊接压力2.5bars和振幅45μm;Al-Al2O3焊接时,最佳工艺参数为焊接时间2s、焊接压力2bars和振幅45μm;Cu-Cu焊接时,最佳工艺参数为焊接时间2.25sec、焊接压力2bars和振幅50μm。
    2     超声波焊新进展
    近几年来,超声波焊接主要应用在医学用具、半结晶聚合物尼龙的焊接,光纤埋入金属基体、铝与塑料等数值模拟的研究以及铝/铜、铝/锌等异种材料的焊接,超声波焊还被应用在制备碳纳米管增强铝基复合材料。这些都是目前比较热门的研究重点。
    2.1  超声波焊焊接过程数值模拟新进展
    从20世纪数值模拟技术应用于超声波焊起,从一维到三维,从单场到耦合场,考虑的越来越接近于实际。光纤、塑料与金属等异种材料焊接模拟在超声波研究中越来越广泛。国内的张以福,朱政强[5]等人对超声波焊接下光纤埋入金属基体的热机耦合进行了有限元分析,结果表明光纤传感器能完全埋入金属基体中,并且结合紧密,高频叠加的超声振动减小了铝合金金属薄片平均应力的大小,摩擦效应随着载荷和超声振幅的增加而增强, 而焊接时间对摩擦效应的影响较小。刘顺洪、陈袅[6]等人对超声波焊的铝塑复合管承载能力进行了数值分析,分析表明铝塑复合管的强度是由铝层决定的,在搭接接头应力集中的附近区域铝塑复合管内外层塑料承受的应变最大,增加搭接接头的搭接长度可以缓解应力集中现象。
    国外的A.Siddiq和E Ghassemieh[7]在进行超声波焊模拟时第一次加入热软化和超声软化,研究结果表明这两个因素在超声波焊接中是一种次要的影响因素,同时还发现由于热软化和声波软化的结果,导致焊接界面摩擦应力减小。K.S.Suresh和M.Roopa Rani[8]等人对结晶和半结晶的热塑性塑料的超声波焊温度分布进行了模拟,当界面温度达到最大使用温度时然后减小温度,在凝固过程中环境温度发生了变化,使塑料失去了本身的性能。
    2.2  异种金属材料超声波焊新进展
    超声波焊接近几年被广泛应用在焊接铝-铜、低碳钢和铝-镁合金、铝-锌等异种金属的焊接。国内的王军、贺占蜀[9]等人对铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接进行了研究,研究推导出这种焊接方法的4个重要机理,就是材料塑性变形、机械嵌合、金属“键合”以及原子扩散,这4个机理相互联系、相互影响着焊接的质量。聂中明和傅莉[10]对CdZnTe接触电极与引线的超声波焊进行了研究,研究表明实现CZT接触电极与引线超声波焊接的最佳工艺参数为楔入压力0.882N和0.588N, 焊接功率1.5W,焊接时间20ms,尾丝长度0.5~1.1mm,拉弧高度适中。
    国外的Shinichi Matsu-oka[11]等人对铝/铜进行了水下超声波焊接实验,其结果表明超声波焊接的接头强度与焊接的条件没关系,但是在水下焊接时需要较大的压力和较长的焊接时间。TakehikoWatanabe[12]等人对SS400低碳钢和含镁的A5052铝合金的超声波焊进行了研究,研究表明当焊接时间为1s、静压力为588N时,焊接接头强度达到最大,并且接头强度的大小随着静压力的减少而减小。IbrahimE.Gun Duz[13] 等人对锌和铝的超声波焊进行了研究, 研究表明在焊接温度为513K时,界面结构增加了界面扩散和Al-Zn固溶体,用EDS分析所得扩散速率为1.9μm2/s。
    2.3  塑料及新材料超声波焊新进展
    超声波焊接一直在塑料焊接中有广泛的应用,随着时间的发展也有了新的发展,还应用于半结晶聚合物、尼龙等新材料的焊接。国内的赵志鹏、成巍[14]等人对玻纤增强尼龙的焊接进行了研究,研究表明对尼龙等不易焊接的半结晶聚合物不能按照常规的方法来设计焊接线,因为最大的连接力主要从能量导向柱的底盘宽度来获得, 因此焊接线的宽度和高度都要变大。郭毓峰[15]对12μm聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/30μm聚乙烯(PE)薄膜超声波焊接工艺进行了研究,研究表明PET/PE薄膜超声波焊接接头的熔融区域较宽,断面凹凸不平,出现拉出凸起部分,表现为韧性断裂特征。
    国外的Shih-Fu Ling和Jingen Luan[16] 等人对超声波焊接塑料时,第一次加入电流和电压,并利用电阻抗作为评价焊接质量的标准。
    2.4  超声波焊在医学上的新进展
    随着超声波焊在生活应用中的广泛性,近几年,超声波焊被应用在医疗设备及药物方面。国内的刘新华[17] 对血液回收离心杯的超声波焊接进行了研究,研究表明超声波焊接可以较好地完成离心杯外壳与底盖的焊接。韩明杰[18]对聚碳酸酯血液回收罐的超声波焊接工艺进行了研究,研究表明对塑料离心杯的主要部件外壳和底盖进行焊接时微粒可以控制在标准的40%~60%之间,可以减少用胶70%左右。
    国外的Shih-Jung Liu[19]等人对一种新颖的无溶剂法生产的可生物降解抗生素胶囊进行了超声波焊的研究,研究发现利用这种焊接技术可以很好的密封胶囊。
    2.5  超声波焊的新应用
    超声波焊接不仅可以用于焊接金属与非金属材料,还可以用来制备碳纳米管增强铝基复合材料。熊志林、朱政强[20]等人利用超声波焊接方法制备碳纳米管增强铝基复合材料,并研究了工艺参数对复合材料剥离力和硬度的影响,结果表明碳纳米管能较好地嵌入于基体材料,与基体界面结合良好,并具有较好的增强效果,可以提高复合材料的力学性能。
    3     结束语
    超声波焊接是固相连接,以前广泛应用在微电子、晶体管、晶闸管以及电子器件封装等电子工业方面;超声波胶点焊在电器方面也得到了广泛的应用;超声波焊还在玻璃、硅片的热喷涂表面上连接金属箔及丝[1]。然而, 随着科技的发展,超声波焊在光纤和金属异种材料焊接方面、铝塑复合管焊接模拟方面、玻纤增强尼龙焊接等新材料方面、血液回收离心杯以及医用胶囊焊接方面得到了广泛的应用,超声波焊还被应用在制备碳纳米管增强铝基复合材料。由此可知,超声波焊必定会在更多的方面得到应用,也必定会为工业技术的发展作出其应尽的贡献。
    参考文献
    [1] 潘际銮主编。焊接手册—焊接方法及设备[M]. 北京: 机械工业出版社。 2001:738.
    [2] 沈世瑶。焊接方法及设备[M].北京:机械工业出版社。 l981.
    [3] ElangovanSooriyamoorthy, ShentonPonnayya-JohnHenry, PrakasanKalakkath. Experimental studies on optimization of process parameters and finite element an-alysis of temperature and stress distribution on joining of Al-Al and Al-Al2O3 using ultrasonic welding[J]. Int J Adv Manuf Technol,2010.
    [4] Sooriyamoorthy Elangovan, K.Prakasan,V.Jaiganesh. Optimization of ultrasonic welding parameters for copper to copper joints using design of experiments. Int J Adv Manuf Technol ,2010,51: 163~171.
    [5] 张以福,朱政强,张刚昌等。超声波焊接下光纤埋入金属基体的热机耦合有限元分析[J].上海交通大学学报,2010,44: 142~145.、
    [6] 刘顺洪,陈袅,周龙早等。 超声波焊接铝塑复合管承载行为的数值模拟[J]. 焊管, 2005, 28(6): 10~13.
    [7] A.Siddiq,EGhassemieh. Thermomechanical analyses of ultrasonic welding process using thermal and acoustic softening effects[J]. Mechanics of Materials, 2008, (40): 982~1000.、
    [8] K.S. Suresh, M. Roopa Rani, K. Prakasan, et al. Modeling of temperature distribution in ultrasonic welding of ther-moplastics for various joint designs[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, (186):138~146.
    [9] 王军,贺占蜀,陆龙生等。 铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接显微试验[J]. 焊接技术,2009,38(3): 9~12.
    [10] 聂中明,傅莉,任洁等。  CdZnTe接触电极与引线的超声波焊接[J].中国有色金属学报,2009,19(5): 919~923.
    [11] Shinichi Matsuoka, Hisashi Imai. Direct welding of different metals used ultrasonic vibration [J].Journal of Materials Processing Technology, 2008.
    [12] Takehiko Watanabe, Hideo Sakuyama, Atsushi Ya-nagisawa. Ultrasonic welding between mild steel sheet and Al-Mg alloy sheet[J]. Journal of Materials Processing Technology ,2009 ,(209) :5475~5480.
    [13] Ibrahim E.Gunduz a, Teiichi Ando a, Emily Shattuck b, et al. Enhanced diffusion and phase transformations during ultrasonic welding of zinc and aluminum[J]. Scripta Materialia,2005,(52):939~943.
    [14] 赵志鹏,成巍,刘建翔等。 玻纤增强尼龙超声波焊接焊线结构[J].科技信息, 2009(3):55.
    [15] 郭毓峰。聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯薄膜的超声波焊接[J].宇航材料工艺, 2010(4):53~55.
    [16] Shih-Fu Ling, Jingen Luan, Xiangchao Li, et al. Input electrical impedance as signature for nondestructive eval-uation of weld quality during ultrasonic welding of plastics [J]. NDT&E Internat-Ional,2006(39):13~18.
    [17] 刘新华。血液回收离心杯的超声波焊接。宁夏机械, 2008(4): 66~67.
    [18] 韩明杰。聚碳酸酯血液回收罐的超声波焊接工艺研究[C] //2009年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集。 张家界。
    [19] Shih-Jung Liu,Ying-E Tsai, Steve Wen-Neng Ueng, et al. A novel solvent-free method for the manufacture of biodegradable antibiotic-capsules for a long-term drug release using compression sintering and ultrasonic weld-ing techniques[J]. Bio-materials,2005 (26) :4662~4669.
    [20] 熊志林,朱政强,程正明等。 超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料。 上海大学学报,2010,44: 45~ 49.
    超声波焊是利用超声波频率(超过16kHz)的机械振动能量,连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷的特殊焊接方法;焊接时既不向工件输送电流,也不向工件引入高温热源,只是在静压力下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及随后有限的温升;接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的,因而是一种固态焊接[1]。工作原理如附图所示。随着超声波应用的广泛,这一领域引起了学者广泛的关注和兴趣。本文将从超声波焊的焊接工艺参数以及新进展等两方面对2005~2011年间的研究现状作一综述。
    1     超声波焊工艺参数
    超声波焊接的主要工艺参数为功率P、焊接时间t、静压力F及振幅A以及振动频率f。
    1.1  功率P[1]
    功率P主要由工件的厚度δ及材料的硬度H所确定,公式为:P=KH3/2δ3/2,  K为系数。
    1.2  振幅A[1]
    振幅常常被用来表示功率的大小, 公式为:P=μSFν=4μSFAf,振幅值大小与聚能器的放大系数有关,常见振幅为5~25μm。
    1.3  静压力F[1]
    静压力是直接影响功率输出及工件变形条件的重要因素,主要由材料厚度及硬度所确定。
    1.4  焊接时间t[2]
    超声波焊接时间是指功率输入工件的时间。焊接时间太短时,焊接接头强度不足,甚至未焊合;焊接时间太长时,焊接接头容易产生疲劳损伤。
    随着超声波焊广泛的应用,对超声波焊接工艺参数优化的研究也越来越广泛。如Sooriyamoorthy Elangovan[3][4] 等人对Al-Al、Al-Al2O3和Cu-Cu超声波焊接进行了工艺研究,研究表明:在Al-Al焊接时,最佳工艺参数为焊接时间2.5s、焊接压力2.5bars和振幅45μm;Al-Al2O3焊接时,最佳工艺参数为焊接时间2s、焊接压力2bars和振幅45μm;Cu-Cu焊接时,最佳工艺参数为焊接时间2.25sec、焊接压力2bars和振幅50μm。
    2     超声波焊新进展
    近几年来,超声波焊接主要应用在医学用具、半结晶聚合物尼龙的焊接,光纤埋入金属基体、铝与塑料等数值模拟的研究以及铝/铜、铝/锌等异种材料的焊接,超声波焊还被应用在制备碳纳米管增强铝基复合材料。这些都是目前比较热门的研究重点。
    2.1  超声波焊焊接过程数值模拟新进展
    从20世纪数值模拟技术应用于超声波焊起,从一维到三维,从单场到耦合场,考虑的越来越接近于实际。光纤、塑料与金属等异种材料焊接模拟在超声波研究中越来越广泛。国内的张以福,朱政强[5]等人对超声波焊接下光纤埋入金属基体的热机耦合进行了有限元分析,结果表明光纤传感器能完全埋入金属基体中,并且结合紧密,高频叠加的超声振动减小了铝合金金属薄片平均应力的大小,摩擦效应随着载荷和超声振幅的增加而增强, 而焊接时间对摩擦效应的影响较小。刘顺洪、陈袅[6]等人对超声波焊的铝塑复合管承载能力进行了数值分析,分析表明铝塑复合管的强度是由铝层决定的,在搭接接头应力集中的附近区域铝塑复合管内外层塑料承受的应变最大,增加搭接接头的搭接长度可以缓解应力集中现象。
    国外的A.Siddiq和E Ghassemieh[7]在进行超声波焊模拟时第一次加入热软化和超声软化,研究结果表明这两个因素在超声波焊接中是一种次要的影响因素,同时还发现由于热软化和声波软化的结果,导致焊接界面摩擦应力减小。K.S.Suresh和M.Roopa Rani[8]等人对结晶和半结晶的热塑性塑料的超声波焊温度分布进行了模拟,当界面温度达到最大使用温度时然后减小温度,在凝固过程中环境温度发生了变化,使塑料失去了本身的性能。
    2.2  异种金属材料超声波焊新进展
    超声波焊接近几年被广泛应用在焊接铝-铜、低碳钢和铝-镁合金、铝-锌等异种金属的焊接。国内的王军、贺占蜀[9]等人对铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接进行了研究,研究推导出这种焊接方法的4个重要机理,就是材料塑性变形、机械嵌合、金属“键合”以及原子扩散,这4个机理相互联系、相互影响着焊接的质量。聂中明和傅莉[10]对CdZnTe接触电极与引线的超声波焊进行了研究,研究表明实现CZT接触电极与引线超声波焊接的最佳工艺参数为楔入压力0.882N和0.588N, 焊接功率1.5W,焊接时间20ms,尾丝长度0.5~1.1mm,拉弧高度适中。
    国外的Shinichi Matsu-oka[11]等人对铝/铜进行了水下超声波焊接实验,其结果表明超声波焊接的接头强度与焊接的条件没关系,但是在水下焊接时需要较大的压力和较长的焊接时间。TakehikoWatanabe[12]等人对SS400低碳钢和含镁的A5052铝合金的超声波焊进行了研究,研究表明当焊接时间为1s、静压力为588N时,焊接接头强度达到最大,并且接头强度的大小随着静压力的减少而减小。IbrahimE.Gun Duz[13] 等人对锌和铝的超声波焊进行了研究, 研究表明在焊接温度为513K时,界面结构增加了界面扩散和Al-Zn固溶体,用EDS分析所得扩散速率为1.9μm2/s。
    2.3  塑料及新材料超声波焊新进展
    超声波焊接一直在塑料焊接中有广泛的应用,随着时间的发展也有了新的发展,还应用于半结晶聚合物、尼龙等新材料的焊接。国内的赵志鹏、成巍[14]等人对玻纤增强尼龙的焊接进行了研究,研究表明对尼龙等不易焊接的半结晶聚合物不能按照常规的方法来设计焊接线,因为最大的连接力主要从能量导向柱的底盘宽度来获得, 因此焊接线的宽度和高度都要变大。郭毓峰[15]对12μm聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/30μm聚乙烯(PE)薄膜超声波焊接工艺进行了研究,研究表明PET/PE薄膜超声波焊接接头的熔融区域较宽,断面凹凸不平,出现拉出凸起部分,表现为韧性断裂特征。
    国外的Shih-Fu Ling和Jingen Luan[16] 等人对超声波焊接塑料时,第一次加入电流和电压,并利用电阻抗作为评价焊接质量的标准。
    2.4  超声波焊在医学上的新进展
    随着超声波焊在生活应用中的广泛性,近几年,超声波焊被应用在医疗设备及药物方面。国内的刘新华[17] 对血液回收离心杯的超声波焊接进行了研究,研究表明超声波焊接可以较好地完成离心杯外壳与底盖的焊接。韩明杰[18]对聚碳酸酯血液回收罐的超声波焊接工艺进行了研究,研究表明对塑料离心杯的主要部件外壳和底盖进行焊接时微粒可以控制在标准的40%~60%之间,可以减少用胶70%左右。
    国外的Shih-Jung Liu[19]等人对一种新颖的无溶剂法生产的可生物降解抗生素胶囊进行了超声波焊的研究,研究发现利用这种焊接技术可以很好的密封胶囊。
    2.5  超声波焊的新应用
    超声波焊接不仅可以用于焊接金属与非金属材料,还可以用来制备碳纳米管增强铝基复合材料。熊志林、朱政强[20]等人利用超声波焊接方法制备碳纳米管增强铝基复合材料,并研究了工艺参数对复合材料剥离力和硬度的影响,结果表明碳纳米管能较好地嵌入于基体材料,与基体界面结合良好,并具有较好的增强效果,可以提高复合材料的力学性能。
    3     结束语
    超声波焊接是固相连接,以前广泛应用在微电子、晶体管、晶闸管以及电子器件封装等电子工业方面;超声波胶点焊在电器方面也得到了广泛的应用;超声波焊还在玻璃、硅片的热喷涂表面上连接金属箔及丝[1]。然而, 随着科技的发展,超声波焊在光纤和金属异种材料焊接方面、铝塑复合管焊接模拟方面、玻纤增强尼龙焊接等新材料方面、血液回收离心杯以及医用胶囊焊接方面得到了广泛的应用,超声波焊还被应用在制备碳纳米管增强铝基复合材料。由此可知,超声波焊必定会在更多的方面得到应用,也必定会为工业技术的发展作出其应尽的贡献。
    参考文献
    [1] 潘际銮主编。焊接手册—焊接方法及设备[M]. 北京: 机械工业出版社。 2001:738.
    [2] 沈世瑶。焊接方法及设备[M].北京:机械工业出版社。 l981.
    [3] ElangovanSooriyamoorthy, ShentonPonnayya-JohnHenry, PrakasanKalakkath. Experimental studies on optimization of process parameters and finite element an-alysis of temperature and stress distribution on joining of Al-Al and Al-Al2O3 using ultrasonic welding[J]. Int J Adv Manuf Technol,2010.
    [4] Sooriyamoorthy Elangovan, K.Prakasan,V.Jaiganesh. Optimization of ultrasonic welding parameters for copper to copper joints using design of experiments. Int J Adv Manuf Technol ,2010,51: 163~171.
    [5] 张以福,朱政强,张刚昌等。超声波焊接下光纤埋入金属基体的热机耦合有限元分析[J].上海交通大学学报,2010,44: 142~145.、
    [6] 刘顺洪,陈袅,周龙早等。 超声波焊接铝塑复合管承载行为的数值模拟[J]. 焊管, 2005, 28(6): 10~13.
    [7] A.Siddiq,EGhassemieh. Thermomechanical analyses of ultrasonic welding process using thermal and acoustic softening effects[J]. Mechanics of Materials, 2008, (40): 982~1000.、
    [8] K.S. Suresh, M. Roopa Rani, K. Prakasan, et al. Modeling of temperature distribution in ultrasonic welding of ther-moplastics for various joint designs[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, (186):138~146.
    [9] 王军,贺占蜀,陆龙生等。 铝片-铜管太阳能集热板超声波焊接显微试验[J]. 焊接技术,2009,38(3): 9~12.
    [10] 聂中明,傅莉,任洁等。  CdZnTe接触电极与引线的超声波焊接[J].中国有色金属学报,2009,19(5): 919~923.
    [11] Shinichi Matsuoka, Hisashi Imai. Direct welding of different metals used ultrasonic vibration [J].Journal of Materials Processing Technology, 2008.
    [12] Takehiko Watanabe, Hideo Sakuyama, Atsushi Ya-nagisawa. Ultrasonic welding between mild steel sheet and Al-Mg alloy sheet[J]. Journal of Materials Processing Technology ,2009 ,(209) :5475~5480.
    [13] Ibrahim E.Gunduz a, Teiichi Ando a, Emily Shattuck b, et al. Enhanced diffusion and phase transformations during ultrasonic welding of zinc and aluminum[J]. Scripta Materialia,2005,(52):939~943.
    [14] 赵志鹏,成巍,刘建翔等。 玻纤增强尼龙超声波焊接焊线结构[J].科技信息, 2009(3):55.
    [15] 郭毓峰。聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯薄膜的超声波焊接[J].宇航材料工艺, 2010(4):53~55.
    [16] Shih-Fu Ling, Jingen Luan, Xiangchao Li, et al. Input electrical impedance as signature for nondestructive eval-uation of weld quality during ultrasonic welding of plastics [J]. NDT&E Internat-Ional,2006(39):13~18.
    [17] 刘新华。血液回收离心杯的超声波焊接。宁夏机械, 2008(4): 66~67.
    [18] 韩明杰。聚碳酸酯血液回收罐的超声波焊接工艺研究[C] //2009年中国工程塑料复合材料技术研讨会论文集。 张家界。
    [19] Shih-Jung Liu,Ying-E Tsai, Steve Wen-Neng Ueng, et al. A novel solvent-free method for the manufacture of biodegradable antibiotic-capsules for a long-term drug release using compression sintering and ultrasonic weld-ing techniques[J]. Bio-materials,2005 (26) :4662~4669.
    [20] 熊志林,朱政强,程正明等。 超声波焊接制备碳纳米管增强铝基复合材料。 上海大学学报,2010,44: 45~ 49.
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