CN101596655A - 不锈钢气电焊用药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不锈钢气电焊用药芯焊丝,其在由不锈钢构成的外皮中填充有焊剂,其中,相对于焊丝总质量,含有Cr:22~28质量%、Ni:8~12质量%、及Fe:55~70质量%,规定C含量在0.06质量%以下,N含量在0.05质量%以下,设Cr含量为[Cr]、Mo含量为[Mo]、Ni含量为[Ni]、C含量为[C]、N含量为[N]时,由下式计算的Cr当量Eq(Cr)和Ni当量Eq(Ni)的比Eq(Cr)/Eq(Ni)为2.0~2.6。Eq(Cr)=[Cr]+[Mo],Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]。根据这一构成,即使在焊接极厚的不锈钢钢板时,也不会在坡口内发生未熔合和咬边,能够得到具有高强度及极低温环境下的高韧性的焊接金属。
Description
技术领域
本发明涉及强度和韧性受到要求的LNG(液化天然气)的球形罐的脚部材和船舶等这些由不锈钢构成并需要强度和在极低温环境下的韧性的结构物的焊接所使用的气电焊用药芯焊丝。
背景技术
历来,对于用于LNG球形罐的脚部材等和大型结构物上并以曝露在大气中的状态下使用的不锈钢,要求耐腐蚀性、强度和极低温环境下的韧性,因此会使用超过20mm左右的厚度的不锈钢厚板。历来,在这样的不锈钢厚板的焊接中,进行的是使用电弧棒以手动进行的保护电弧焊法,或者药芯焊丝和保护气体被自动供给的半自动气体保护电弧焊法。
但是,基于保护电弧焊法及半自动气体保护电弧焊法进行的施工,熔敷速度小,立向焊接的作业效果极低,因此在使用由软钢及高张力钢构成的厚板的造船、桥梁和化学贮槽等的焊接中,会使用熔敷速度大、能够以高效果实施立向焊接的气电焊法。
在极厚板的焊接中,因为坡口深,所以焊接部容易成为多层,在该焊接部容易发生夹渣和咬边等缺陷。若在焊接部发生夹渣,则焊接金属的强度及韧性等机械的性能劣化,若发生咬边,则由于应力集中造成疲劳强度降低。因此,强烈希望使基于气电焊进行的施工为单层焊接,此外,还强烈希望一种气电焊用药芯焊丝,其即使在通过单焊层施工焊接极厚板时,向坡口部的熔深仍良好,不会在焊接部发生缺陷,能够得到健全且具有充分的机械的性能的焊接金属。
例如,在特开平11-138295号中公开有一种不锈钢气电焊用药芯焊丝,其是在由形成为管状的不锈钢构成的外皮内所填充的焊剂中,含有TiO2、SiO2及含有金属氟化物的造渣剂,通过特定此造渣剂的含量,可以在厚板不锈钢的立向位置进行高效率且有稳定的熔深的焊接,此外焊接作业性优异,不会发生咬边及针状气孔,因此焊接金属的机械性质良好。
另外,线能量大的气电焊,因为达到焊接金属凝固的冷却速度小,所以焊接金属的组织有比较粗大化的倾向。若将JISZ3323所规定的308系等历来被使用的不锈钢电弧焊用药芯焊丝用于气电焊,则由于粗大化的焊接金属组织导致屈服点和抗拉强度大大降低。根据特开平11-138295号中公开的不锈钢气电焊用药芯焊丝,公开的是在外皮和/或填充焊剂中添加N或氮化金属,通过特定其添加量,既能够确保0.2%屈服强度,又能够抑制尖状气孔发生或飞溅发生量的增加等问题。
然而,在前述的现有技术中存在如下的问题点。
若在不锈钢气电焊用药芯焊丝中大量添加N,则极低温环境下的焊接部分的韧性降低。特开平11-138295号所述的不锈钢气电焊用药芯焊丝为了确保0.2%屈服强度而在外皮和/或填充焊剂中添加N或氮化金属,但其添加量多达0.05~0.16质量%,极低温环境下的韧性降低,因此不适于LNG用等被在极低温环境下使用的结构物的焊接。
另外,在特开平11-138295号所述的实施例中,公开有使用板厚20mm的SUS304钢板及SUS316钢板的焊接试验,但在板厚超过20mm的不锈钢钢板的焊接中,即使使用该不锈钢气电焊用药芯焊丝,仍避免不了在坡口内发生未熔合。
发明内容
本发明鉴于这样的问题点而做,其目的在于,提供一种不锈钢气电焊用药芯焊丝,即使在焊接极厚的不锈钢钢板时,也不会在坡口内发生未熔合和咬边,能够得到具有高强度及极低温环境下的高韧性的焊接金属。
本发明的不锈钢气电焊用药芯焊丝,是在由不锈钢构成的外皮中填充焊剂而成的不锈钢气电焊用药芯焊丝,相对于焊丝总质量,含有Cr:22~28质量%、Ni:8~12质量%、CaF2:1.0~2.0质量%及Fe:55~70质量%,规定C含量在0.06质量%以下,N含量在0.05质量%以下,设Cr含量为[Cr]、Mo含量为[Mo]、Ni含量为[Ni]、C含量为[C]、N含量为[N]时,由下式计算的Cr当量Eq(Cr)和Ni当量Eq(Ni)的比Eq(Cr)/Eq(Ni)为2.0~2.6。
【式1】
Eq(Cr)=[Cr]+[Mo]
【式2】
Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]
此外,所述焊剂优选相对于焊丝总质量含有造渣剂1.5~2.5质量%。在此,造渣剂在外皮内所填充的焊剂成分中,除去Fe、Cr、Ni和Mn等构成焊接金属的合金成分的金属粉末以外,还包含与最终熔渣形成有关的全部的原料,也包含以电弧稳定化为目的而添加的成分。CaF2也作为造渣剂的一部分被含有。造渣剂的各成分作为焊剂成分而存在的形态,也可以是氧化物、氟化物、碳氧盐、硅酸盐、碳化物及氮化物等化合物。
另外所述焊剂还含有TiO2、SiO2及ZrO2中的至少一个,CaF2含量相对于TiO2、SiO2及ZrO2含量的总和的比优选为5.0以上。
根据本发明,在不锈钢气电焊用药芯焊丝中,通过使焊丝中含有Cr,使焊接金属固溶强化,同时对焊丝中的Cr含量加以特定,从而不会使延性及韧性降低。另外,通过在奥氏体系不锈钢中限制作为侵入型元素的C和N的含量,能够抑制耐冲击性及低温环境下的韧性的降低。此外,通过特定焊丝中的金属元素的Cr当量和Ni当量的分配,焊接金属中的组织平衡得到适当化,不会使延性及低温环境下的韧性降低,能够使屈服点和抗拉强度提高,因此能够得到一种即使被用于在极低温环境下使用的结构物的焊接时,仍具有优异的机械的特性的不锈钢气电焊用药芯焊丝丝。
附图说明
图1是表示气电焊用的焊丝的剖面图。
图2是沿垂直方向及水平方向切开显示气电焊的焊接部的立体图。
具体实施方式
图1是表示气电焊用的焊丝的剖面图,图2是以一部分垂直方向及水平方向的剖面显示气电焊的焊接部的立体图。
如图2所示,气电焊通过如下方式进行,通过立向姿势在母材5间的坡口6上设置衬垫3,再在作业者侧设置滑动铜板2,由焊炬13向坡口6供给焊丝11,同时在焊接金属43和焊丝11间使电弧放电发生。保护气体从设于滑动铜板2的气体供给口22被供给到焊接部,通过由该保护气体覆盖电弧12和焊接部4,能够防止焊接气氛内侵入空气。滑动铜板2随着焊接部4的移动一起上下滑动,另外,在该滑动铜板2内设有流通冷却水的冷却管23,利用在冷却管23中流通的水可以经由滑动铜板2冷却焊接部4。
焊丝11如图1所示,由管状的外皮11a及被填充在外皮11a的内部的焊剂11b构成。外皮11a是不锈钢,其基材由与焊接对象的母材相同的金属构成,出于使焊接金属的组织稳定化,提高屈服点、抗拉强度及韧性这样的机械性质,或者提高耐腐蚀性等的化学的性质为目的,该基材含有C、Ni、Cr、Si、Mo等成分。另外,此C、Si等成分除了是外皮11a的不锈钢中的成分以外,还作为单体或化合物存在于焊剂11b中,外皮11a及焊剂11b这双方被供给到焊接部4。
本发明的不锈钢气电焊用药芯焊丝,相对于焊丝总质量,含有Cr:22~28质量%、Ni:8~12质量%及Fe:55~70质量%。另外,焊丝含有的C含量控制在0.06质量%以下,N含量控制在0.05质量%以下。此外,设焊丝中的Cr含量为[Cr]、Mo含量为[Mo]、Ni含量为[Ni]、C含量为[C]、N含量为[N]时,由下式3和4定义焊丝中的Cr当量Eq(Cr)和Ni当量Eq(Ni)时,Cr当量Eq(Cr)和Ni当量Eq(Ni)的比Eq(Cr)/Eq(Ni)为2.0~2.6。
【式3】
Eq(Cr)=[Cr]+[Mo]
【式4】
Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]
在焊接部4,通过来自电弧放电的线能量,母材5和焊丝11熔融而形成熔融部41。焊剂11b除了作为气体发生源而生成电弧气氛以外,还通过焊剂中所含的造渣剂形成焊接熔渣42,从而缓和焊接部41内的脱氧精炼、合金成分的补充和熔融金属的急冷。从焊接部4的熔融部41浮起的熔渣42流入焊接金属和滑动铜板2之间,被覆焊道表面而遮断大气,形成平滑的焊道。本发明的不锈钢气电焊用药芯焊丝,相对于焊丝总质量,含有造渣剂1.5~2.5质量%。还有,该造渣剂在填充到外皮内的焊剂成分中,除去Fe、Cr、Ni和Mn等构成焊接金属的合金成分的金属粉末以外,还包含与最终熔渣形成有关的全部的原料,也包含以电弧稳定化为目的而添加的成分。该造渣剂的各成分作为焊剂成分存在的形态,也可以是氧化物、氟化物、碳酸盐、硅酸盐、碳化物及氮化物等化合物。
不锈钢的焊接金属的熔点为1400~1500℃,与一般的软钢相比低100℃左右。因此,在不锈钢的气电焊中,焊接金属开始凝固慢,熔渣42和熔融部41各自开始凝固的时刻的差比软钢大。而且,若从熔融部41浮起的熔渣成分不能加入开始凝固的熔渣42中,则熔渣成分夹杂到熔融部41内,将不能去除该夹杂的熔渣成分。
本发明者等发现,作为低于熔渣熔点而接近不锈钢的熔点的熔渣造渣材的成分而着眼于CaF2,通过调整焊丝中的CaF2含量,即使以气电焊焊接超过20mm的厚板时,也不会使焊接部发生未熔合及夹渣,可以形成美观的焊道,从而发现了本发明。本发明的不锈钢气电焊用药芯焊丝,相对于焊丝总质量,含有CaF2为1.0~2.0质量%。还有,本发明涉及的是以不锈钢的箍材为外皮,通过在此箍材的内部填充焊剂而得到的药芯焊丝,但是根据用于焊接的电流范围而分别使用从细径到粗径的焊丝的线径,如果是半自动焊接中一般所使用的1.0~2.0mm,则均能够适用本发明。
以下,就本发明的焊丝组成的数值限定的理由进行说明。
(Cr:22~28质量%)
Cr在不锈钢合金钢的表面形成惰性皮膜,提高针对大气或酸的耐腐蚀性。另外,Cr对于铁具有固溶强化效果,因此若添加Cr,则屈服点及抗拉强度提高。为了通过Cr的添加而得到焊接金属的固溶强化的效果,需要使焊接金属中的Cr含量为20质量%以上。由于所添加的Cr被母材的熔融稀释,另外被氧化作为熔渣消耗,致使焊接金属中固溶的Cr的含量减少,因此可以使焊丝中的Cr含量为22质量%以上。另一方面,若焊丝中的Cr含量超过28质量%,则焊接金属中的铁素体组织过多而延性降低,以Fe、Cr为主体的金属间化合物在焊接金属中析出,韧性及延性容易降低。因此,焊丝中的Cr含量为22~28质量%,更优选为22~26质量%。
(Ni:8~12质量%)
Ni是用于在焊接金属的凝固组织中使奥氏体形成的有效的成分,另外使焊接金属针对非氧化性的酸的耐腐蚀性提高。如气电焊这样,根据所焊接的母材的板厚,至焊接部的线能量会大为不同,此外,在随着线能量的变化而熔融部的母材的稀释率不同的焊接法中,若焊丝中所含的Ni量比母材中所含的Ni量少,则焊接金属中的Ni量将比母材少,因此焊接金属的耐腐蚀性比母材降低。若焊丝中的Ni含量低于8质量%,则焊接金属中的Ni量比母材少而耐腐蚀性降低。另一方面,若焊丝中Ni含量超过12质量%,则焊接金属的凝固组织中所含的铁素体及奥氏体组织的平衡由于母材的稀释率而发生很大变动,从而不能稳定获得焊接金属的机械性质。因此,焊丝中的Ni含量为8~12质量%。
(Fe:55~70质量%)
Fe是含有上述的Cr及Ni成分的不锈钢的余量。本发明的不锈钢气电焊用药芯焊丝,除Cr及Ni以外,还含有造渣剂、C、N、Mo或不可避免的杂质。因此,焊丝中的Fe含量为55~70质量%。
(Cr当量Eq(Cr)对于Ni当量Eq(Ni)的比Eq(Cr)/Eq(Ni):2.0~2.6)
通过特定焊丝中的Cr当量Eq(Cr)对于Ni当量Eq(Ni)的比,焊接金属中的组织平衡得到适当化。在此,焊丝中的Cr当量所对应的成分促进焊接金属中的铁素体组织的形成,Ni当量所对应的成分促进焊接金属中的奥氏体组织的形成。在本发明中,考虑到焊接会致使焊丝中的含有金属被稀释等,而根据下式5及6来特定焊丝含有的Cr当量及Ni当量,由此使焊接金属中的铁素体组织和奥氏体组织的含有比率适当化,从而即使在气电焊这样的在大线能量下生成的焊接金属中,也能够得到与母材同等的屈服点和抗拉强度。若焊丝中的Cr当量对于Ni当量的比低于2.0,则焊接金属中的奥氏体组织增加,屈服点及抗拉强度降低。另一方面,若焊丝中的Cr当量对于Ni当量的比超过2.6,则焊接金属中的铁素体组织增多,延性及韧性降低。因此,焊丝中的Cr当量对于Ni当量的比为2.0~2.6。
【式5】
Eq(Cr)=[Cr]+[Mo]
【式6】
Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]
(C:0.06质量%以下)
C包含在焊丝的外皮、焊剂原料及涂布于焊丝表面的润滑剂中。另外,保护气体中的CO2被电弧放电还原,被还原的C也会加入到焊接金属中。若添加C,则其在SUS304L等奥氏体系不锈钢中作为侵入型元素固溶,虽然焊接金属的屈服点和抗拉强度增加,但随着其添加量的增加,焊接金属中Cr碳化物开始析出,因此低温环境下的韧性降低。若焊丝中的C的含量超过0.06质量%,则耐冲击性及低温环境下的韧性显著降低。因此,焊丝中的C的含量为0.06质量%以下,更优选为0.02质量%以下。
(N:0.05质量%以下)
N包含在焊丝的外皮及焊剂原料等之中。与C一样,N在奥氏体系不锈钢中作为侵入型元素固溶,因此随着N的添加量的增加,焊接金属的屈服点和抗拉强度增加,耐冲击性及低温环境下的韧性降低。另外,若N的添加量多,则气体的N被排入到焊接金属中,将容易发生气孔和针状气孔等气孔缺陷。若焊丝中的N的含量超过0.05%,则耐冲击性及低温环境下的韧性降低,另外容易发生气孔缺陷。因此,焊丝中的N的含量为0.05质量%以下,更优选为0.03质量%以下。
本发明的气电焊用药芯焊丝,除上述的Cr、Ni、Fe、C和N以外,还能够以耐腐蚀性的提高为目的而含有Mo。但是,若焊丝中的Mo的含量超过1.0质量%,则焊接金属中析出金属间化合物,低温环境下的焊接部的韧性降低。因此,优选焊丝中的Mo含量抑制在1.0质量%以下。
(造渣剂合计:1.5~2.5质量%)
焊丝中所含的焊剂成分之中,造渣剂具有的作用是,在气电焊中,借助电弧热以熔融状态浮到焊接金属上部,同时进行熔融金属的脱氧精炼及缓和熔融金属的急冷。若焊丝中的造渣剂的合计低于1.5质量%,则无法充分获得上述的作用,容易发生未熔合。另一方面,若焊丝中的造渣剂的合计超过2.5质量%,则发生的熔渣过多,电弧放电带来的溅渣和飞溅的发生增多,因此焊道的外观容易受损。此外,电弧放电容易中断,因此容易发生焊接金属内的夹渣以及针状气孔和气孔等。因此,焊丝中的造渣剂合计为1.5~2.5质量%。
(CaF2:1.0~2.0质量%)
造渣剂之中,CaF2降低熔渣的熔点而使之接近不锈钢的熔点,其具有的作用是,即使在焊接60mm左右这种极厚板的不锈钢钢板时,也可抑制坡口内发生的夹渣等缺陷,从而能够获得良好的焊接作业性和健全的焊接金属。本发明者等在造渣剂中所含的成分之中,着眼于该CaF2的含量,研究其添加量及添加比率,其结果发现,通过使CaF2的添加量为1.0~2.0质量%,能够得到良好的焊接作业性和健全的焊接金属。若该CaF2的含量低于1.0质量%,则无法充分获得降低熔渣的熔点的效果,夹渣和未熔合容易发生,此外由于不均匀发生的熔渣还会导致焊道外观容易受损。另一方面,若CaF2的含量超过2.0质量%,则在现有的焊剂中作为主成分的SiO2和TiO2等成分不足,因此熔渣的高温粘度降低,使焊道表面产生不均匀的焊波,并且熔渣剥离性降低。因此焊丝中的CaF2的含量为1.0~2.0质量%。另外,焊丝中所含的造渣剂之中,TiO2、SiO2和ZrO2虽然具有提高熔渣的流动性的效果,但是会在凝固完毕的焊接金属中作为微小的复合氧化物夹杂物分散、残留,在焊接金属的浸透探伤试验中作为点状的缺陷被测定到。因此,优选其总含量比CaF2的含量少的方面。若焊丝中的CaF2的含量以相对于TiO2、SiO2和ZrO2含量的总和的比计低于5.0,则在浸透探伤试验中被检测出的点状的缺陷会显著增加。因此,优选焊丝中的CaF2的含量相对于TiO2、SiO2和ZrO2含量的总和的比为5.0以上,更优选为15.0以上。
【实施例】
以下,将显示出本发明的气电焊用药芯焊丝的效果的实施例与比较例一起例示。
制造在SUS304L所构成的箍材中填充有焊剂的焊丝,使用该焊丝进行气电焊。用于该箍材的制造的板材的组成及尺寸显示在表1中。
母材使用由含有表2所示的成分的不锈钢构成的板厚50mm的厚板,以坡口间隙5mm相接配置这两个厚板的V字形的坡口,在母材的背面侧配置陶瓷制造的衬垫。还有,在相接的母材间V字的坡口构成的角度为20°,对该V字坡口供给CO2或Ar-20%CO2作为保护气体,同时进行气电焊。焊接装置以直流反极性(DC-EP)设定为400A-43V的焊接条件,保护气体的流量为35L/分。
【表1】
尺寸 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Nb | N |
厚0.6mm×宽15mm | 0.018 | 0.48 | 1.2 | 0.027 | 0.008 | 18.8 | 8.3 | 0.1 | 0.01 | 0.015 |
【表2】
尺寸 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Nb | N |
厚50mm | 0.045 | 0.62 | 1.35 | 0.024 | 0.006 | 18.15 | 8.23 | 0.2 | 0.01 | 0.04 |
在具有表1所示的组成的箍材中填充具有各种组成的焊剂,作为实施例和比较例的气电焊用药芯焊丝的供试材,对于表2所示的母材进行气电焊。然后,对于使用实施例和比较例的焊丝进行了焊接的焊接金属,进行纵向拉伸试验及-196℃环境下的V切口摆锤冲击试验,测定0.2%屈服强度、抗拉强度及吸收能。然后,如果0.2%屈服强度为280[N/mm2]以上、抗拉强度为580[N/mm2]以上、吸收能为34[J]以上,则各性能的项目判定为良好。满足全部项目的为○,不满足的项目有1个的为×并显示在表3中。
关于焊接金属的健全性,是对于焊道外观、有无未熔合及有无夹渣进行评价判定。焊道外观由目测进行评价,其结果是没有熔渣夹杂,形成平滑的焊道的为良好。另外,通过X射线透射试验,根据未熔合和夹渣的尺寸及个数来判定有无缺陷,完全没有缺陷的为良好。关于焊道外观、未熔合及夹渣的有无的判定结果,良好的为○,与现有等同的为△并显示在表3中。
【表3-1】
【表3-2】
【表3-3】
【表3-4】
表3所示的No.1~7、9、10、17是满足本发明的必须要件的实施例。实施例No.1~7、9、10、17焊丝中的Cr、Ni、CaF2、C和N的含量以及Cr当量对于Ni当量的比满足本发明的范围,显示出优异的屈服点和抗拉强度,能够得到根据吸收能判定的良好的韧性。
No.11是焊丝中的Cr含量低于本发明的范围,从而得不到来自Cr的添加的固溶强化的效果的比较例。No.12是焊丝中的Cr含量超过本发明的范围,由于焊接金属中的过剩的铁素体组织的增加导致抗拉强度降低,此外由于金属间化合物的析出导致韧性降低的比较例。No.13是焊丝中所含的Cr当量对于Ni当量的比低于本发明的范围,由于焊接金属中的奥氏体组织的增加致使抗拉强度降低的比较例。比较例No.14焊丝中所含的Cr当量相对于Ni当量的比超过本发明的范围,由于焊接金属中的铁素体组织的增加导致韧性降低。比较例No.15焊丝中的C的含量超过本发明的范围,韧性降低。比较例No.16焊丝中的N的含量超过本发明的范围,韧性降低。
在满足本发明的必须要件的实施例No.1~7、9、10、17之中,实施例No.1~6焊丝中的造渣剂含量满足本发明的范围,具有完美的焊道外观,焊接金属中没有发生夹渣和未熔合。No.7虽然满足本发明的条件,但造渣剂之中含有CaF2的比例比较小,因此是在造渣剂以外的成分的作用下,焊道外观与现有等同的例子。
实施例No.8焊丝中的CaF2含量低于本发明的范围,无法充分获得降低熔渣熔点的效果,未熔合的发生和焊道外观与现有等同。No.17焊丝中的CaF2含量多,焊道外观有一些劣化。No.9焊丝中的造渣剂的含量多,发生熔渣过多,焊道的外观受损,此外也是夹渣发生得与现有等同的例子。No.10由于熔渣不足导致焊接部的急冷未得到缓和,未熔合发生与现有等同。
Claims (3)
1.一种不锈钢气电焊用药芯焊丝,其在由不锈钢构成的外皮中填充焊剂而成,其特征在于,
相对于焊丝总质量,含有Cr:22~28质量%、Ni:8~12质量%、CaF2:1.0~2.0质量%及Fe:55~70质量%,
并且,将C含量规定在0.06质量%以下,将N含量规定在0.05质量%以下,
在将Cr含量定为[Cr],将Mo含量定为[Mo],将Ni含量定为[Ni],将C含量定为[C],将N含量定为[N]时,根据下式计算出的Cr当量Eq(Cr)和Ni当量Eq(Ni)的比Eq(Cr)/Eq(Ni)为2.0~2.6,
Eq(Cr)=[Cr]+[Mo]
Eq(Ni)=[Ni]+35×[C]+20×[N]。
2.根据权利要求1所述的不锈钢气电焊用药芯焊丝,其特征在于,所述焊剂相对于焊丝总质量含有1.5~2.5质量%的造渣剂。
3.根据权利要求1所述的不锈钢气电焊用药芯焊丝,其特征在于,所述焊剂含有TiO2、SiO2及ZrO2中的至少一种,CaF2含量相对于TiO2、SiO2及ZrO2含量的总和的比为5.0以上。
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