CN111230255A - 提高304l奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，包括以下步骤：对304L母材制备坡口后，将需焊接的304L母材进行组对装配，采用钨极氩弧焊进行点固焊；采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接；采用焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接；对焊接后的304L奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理。本发明提出的焊接方法，可大幅度提高了304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性，特别是‑196℃低温韧性。

Description

提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接工艺技术领域，尤其涉及一种提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法。

背景技术

304L奥氏体不锈钢具有较高的强度和优良的低温韧性和塑形，同时由于碳含量低，具有优良的耐腐蚀性，常常被用做低温用钢，如国内生产的深冷低温液体储运容器，使用温度通常为-196~-183℃，主体母材通常为18-8型奥氏体不锈钢。

目前压力容器产品主要采用焊条电弧焊进行焊接，对于304L奥氏体不锈钢，通常采用化学成分相匹配的E308L-XX焊条，其熔敷金属-196℃低温冲击功平均为34J左右，能够满足一般民用产品的使用要求。然而对于一些军工产品，如大型低温风洞，要求焊接接头在热处理后-196℃低温冲击功到达50J以上甚至更高，采用常规的焊条电弧焊工艺无法达到要求。

虽然304L奥氏体不锈钢焊条电弧焊工艺已经非常成熟了，但由于焊接接头热处理后晶界析出Cr₂₃C₆，会降低耐腐蚀性能，因此一般的304L奥氏体不锈钢产品不进行热处理。而军工产品一般采用中厚板，焊接接头质量要求高，需要进行去应力热处理，这会极大的降低焊接接头-196℃低温韧性，如果采用常规的焊条电弧焊工艺其焊接接头-196℃低温冲击功平均只有20J左右，远远不能满足使用要求，而国内对于这方面的研究成果几乎没有。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，特别是提高在-196℃及以下的低温韧性。

为实现上述目的，本发明提供一种提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，包括以下步骤：

对304L母材制备坡口后，将需焊接的304L母材进行组对装配，采用钨极氩弧焊进行点固焊；

采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接；

采用焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接；

对焊接后的304L奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理。

优选地，对304L母材制备坡口后，采用氧乙炔中性焰对304L母材坡口两侧预设范围进行加热以去除水分。

优选地，采用钨极氩弧焊进行点固焊后，采用砂轮机将点固焊背面焊缝进行打磨，直至露出银白色金属光泽。

优选地，焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接时，焊条选用E316LMn-15，焊条中除了N元素外的其它化学成分均符合GB/T 983标准， N元素的质量含量＜0.1%，焊条在300~350℃下烘烤1~2 h，采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的5倍。

优选地，进行填充层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24V，焊接电流为90~100A，焊接速度为50~85mm/min，线能量为12.7~28.8 KJ/cm；对于φ4.0mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24V，焊接电流为115~125A，焊接速度为55~80mm/min，线能量为17.3~32.7 KJ/cm。

优选地，进行盖面层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24V，焊接电流为90~100A，焊接速度为70~80mm/min，线能量为13.5~20.6 KJ/cm；对于φ4.0mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24V，焊接电流为105~115A，焊接速度为65~95mm/min，线能量为13.3~25.5 KJ/cm。

优选地，所述对焊接后的304L奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理的步骤具体如下：

热处理温度为550~590℃，保温时间为1~2h，保温结束到400℃的温度范围内控制降温速率≥65℃/h，温度降至400℃之后在空气中冷却至室温。

优选地，在焊接过程中，控制层间温度≤100℃。

优选地，钨极氩弧焊采用直流正接电源，焊条电弧焊采用直流反接电源。

优选地，采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接时，焊丝选用ER316LMn，焊条中除了N元素外的其它化学成分均符合GB/T 983标准， N元素的质量含量＜0.1%，两名焊工针对同一坡口根部同一时间同一速度焊接，正面坡口由一名焊工采用填丝焊，同时另外一名焊工在坡口背面进行不填丝重熔。

本发明提出的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，相对于传统的焊接工艺（采用E308L-XX焊条，碳弧气刨清根，层间温度控制在150℃以内，热处理保温结束后直接炉冷等），其焊接接头低温冲击韧性大幅度提高，经过去应力热处理的焊接接头的-196℃低温冲击功＞50J，能够满足军工产品比如大型低温风洞的使用要求，且焊接接头的抗拉强度、塑性均符合承压设备工艺评定的要求。另外，通过控制热处理过程中的降温速率，避免了晶间腐蚀倾向，改善焊接接头的耐腐蚀性能。此外，本焊接方法操作过程简单，能够实现工程应用。

附图说明

图1为本发明对比例1在焊接和热处理后焊缝的微观金相图；

图2为本发明实施例1在焊接和热处理后焊缝的微观金相图；

图3为本发明实施例1热处理后焊接接头的晶间腐蚀试样微观金相图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，包括以下步骤：

步骤S10，对304L母材制备坡口后，将需焊接的304L母材进行组对装配，采用钨极氩弧焊进行点固焊；

步骤S20，采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接；

步骤S30，采用焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接；

步骤S40，对焊接后的304L奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理。

步骤S10中，对304L母材制备坡口后，采用氧乙炔中性焰对304L母材坡口两侧预设范围（如304L母材坡口两侧20mm范围）进行加热以去除水分。

采用钨极氩弧焊进行点固焊后，采用砂轮机将点固焊背面焊缝进行打磨，直至露出银白色金属光泽。点固焊的焊接材料、焊接工艺与钨极氩弧焊打底焊（正面坡口）相同。

步骤S20中，采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接时，焊丝选用ER316LMn，两名焊工针对同一坡口根部同一时间同一速度焊接，正面坡口由一名焊工采用填丝焊，同时另外一名焊工在坡口背面进行不填丝重熔。

双面钨极氩弧焊焊接参数如下：焊丝选用φ2.4mm的ER316LMn；钨极直径为2.5mm；正面坡口氩气流量为15~20L/min，背面坡口氩气流量为10~15L/min，氩气纯度≥99.99%；正面坡口焊接电弧电压为10~12V，焊接电流为120~150A，焊接速度为60~80mm/min，线能量为9~18 KJ/cm；背面坡口焊接电弧电压为10~12V，焊接电流为100~120A，焊接速度为60~80mm/min，线能量为7.5~14.4KJ/cm；采用摆动焊进行焊接。

步骤S30中，焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接时，焊条选用φ3.2mm或φ4.0mm的E316LMn-15，焊条在300~350℃下烘烤1~2h，使用过程中放在保温筒内随用随取，采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的5倍。

进行填充层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24V，焊接电流为90~100A，焊接速度为50~85mm/min，线能量为12.7~28.8 KJ/cm；对于φ4.0mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24V，焊接电流为115~125A，焊接速度为55~80mm/min，线能量为17.3~32.7 KJ/cm。

进行盖面层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24V，焊接电流为90~100A，焊接速度为70~80mm/min，线能量为13.5~20.6 KJ/cm；对于φ4.0mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24V，焊接电流为105~115A，焊接速度为65~95mm/min，线能量为13.3~25.5 KJ/cm。

步骤S40具体如下：

热处理温度为550~590℃，保温时间为1~2h，保温结束到400℃的温度范围内控制降温速率≥65℃/h，温度降至400℃之后在空气中冷却至室温。

采用上述热处理工艺，能够在不大幅度降低焊接接头-196℃低温韧性的基础上，消除约40%左右的残余应力。控制保温结束到400℃的温度范围内降温速率≥65℃/h，能够有效的防止晶间腐蚀倾向。

在焊接过程中，控制层间温度≤100℃。

钨极氩弧焊采用直流正接电源，焊条电弧焊采用直流反接电源。

304L奥氏体不锈钢属于18-8型钢范围，但在此基础上对合金元素含量有所调整，与国内标准相比，降低了Si元素含量范围，降低了杂质元素S、P的含量范围，提高了奥氏体稳定元素Ni的下限指标，其化学成分按重量百分比为：C：≤0.03%，Si：≤0.5%，Mn：≤2.0%，P：≤0.03%，S：≤0.015%，Ni：10~12%，Cr：18~20%，余量为Fe和其他不可避免的杂质。

氩弧焊丝除N元素外其它元素化学成分符合GB/T 29713标准，N元素的含量可以不必满足标准要求，即N：＜0.1%。同样，焊条电弧焊的焊丝也满足同样的标准，即其它元素化学成分符合GB/T 29713标准，N元素的含量可以不必满足标准要求，即N：＜0.1%。

坡口形式可为对称X型、V型、对称K型，单边坡口角度为25~30°，钝边为1±1mm，间隙为3±1mm。

钨极氩弧焊和焊条电弧焊焊缝组织为枝晶状奥氏体+微量铁素体，为A凝固模式。在影响焊接接头-196℃低温韧性的因素中，焊缝组织中的铁素体含量最为重要。一般而言，铁素体含量越少，-196℃低温韧性越好，而铁素体含量太少容易产生热裂纹，所述316LMn焊材中Mn元素含量≥5%，能够有效防止热裂纹的出现。

304L母材，屈服强度≥190MPa，抗拉强度≥510MPa，延伸率≥50%，-196℃低温冲击功≥150J。

以下实施例和对比例中的304L母材为鞍山钢铁集团有限公司生产，其化学成分按重量百分比为：C：0.02%，Si：0.33%，Mn：1.69%，P：0.022%，S：0.009%，Ni：11.10%，Cr：18.33%，余量为Fe和其他不可避免的杂质；

对比例1中的焊条为伯乐E308L-16，直径为3.2mm，其化学成分按重量百分比为：C：0.02%，Si：0.59%，Mn：1.9%，P：0.02%，S：0.01%，Ni：10.0%，Cr：19.8%，Cu：0.02%。

实施例1、2、3中的氩弧焊丝为哈尔滨威尔ER316LMnG，直径为2.4mm，其化学成分按重量百分比为：C：0.017%，Si：0.49%，Mn：5.58%，P：0.0084%，S：0.0071%，Ni：17.24%，Cr：18.96%，Mo：4.22%，Cu：0.0098%。

实施例1、2、3中的焊条为大西洋CHS027FT，直径为4.0mm，其化学成分按重量百分比为：C：0.037%，Si：0.41%，Mn：5.7%，P：0.014%，S：0.005%，Ni：17.03%，Cr：19.10%，Mo：2.86%。

钨极氩弧焊和焊条电弧焊采用奥太ZX7-400STG氩弧手弧二用焊机。

本发明实施例理化试验标准为NB/T 47014。

以下以三个实施例和一个对比例进行具体说明。

对比例1

其焊接过程如下：

（1）焊前准备

将500×150×40mm（2块）304L奥氏体不锈钢试板采用坡口机制备X型坡口，单边坡口角度为30°，并使用砂轮机（采用不锈钢砂轮片）对坡口及其两侧20mm范围进行打磨清理干净，去除油污、杂质；采用氧乙炔中性焰对304L母材坡口两侧20mm范围进行快速加热，去除水分；将需焊接的二块试板进行组对装配，钝边为1mm，间隙为3mm，采用焊条电弧焊在试板两端进行点固焊，点固焊的焊接材料、焊接工艺与打底填充盖面焊接工艺相同。

（2）焊接

采用焊条电弧焊进行打底填充盖面焊接，焊接电流105A，焊接电压22V，焊接速度平均为50mm/min，线能量平均为27.7KJ/cm。焊条在使用前在300~350℃下烘烤1~2 h，使用过程中放在保温筒内随用随取。采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的4倍，采用碳弧气刨清根。焊接过程中，控制层间温度在100~150℃，焊接电源采用直流反接。

（3）去应力热处理

采用570℃×1.5h热处理工艺，采用炉冷方式进行降温，570℃~400℃间的降温速率平均为29℃/h。

经检测，焊接接头的抗拉强度为581MPa，断裂位置为母材，4个侧弯试样完好无裂纹。焊接接头-196℃冲击功分别为：焊缝18J、热影响区101J，其中焊缝的-196℃冲击功远远小于50J，达不到军工产品如大型低温风洞对于焊接接头-196℃冲击功的要求。

实施例1

本发明提出的焊接方法（控制层间温度在100℃以内，控制热处理降温速率为65℃/h），其步骤如下：

（1）焊前准备

将500×150×40mm（2块）304L奥氏体不锈钢试板，采用坡口机制备对称X型坡口，单边坡口角度为30°，并使用砂轮机（采用不锈钢砂轮片）对坡口及其两侧20mm范围进行打磨清理干净，去除油污、杂质；采用氧乙炔中性焰对304L母材坡口两侧20mm范围进行快速加热，去除水分；将需焊接的二块试板进行组对装配，钝边为0mm，间隙为3mm，采用钨极氩弧焊进行点固焊，点固焊的焊接材料、焊接工艺与钨极氩弧焊打底焊（正面坡口）相同。点固焊结束后采用砂轮机将点固焊背面焊缝进行打磨，直至露出银白色金属光泽。

（2）双面钨极氩弧焊打底焊接

采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接，两名焊工针对同一坡口根部同一时间同一速度焊接，正面坡口由一名焊工采用填丝焊，于此同时，由另外一名焊工在坡口背面进行重熔（不填丝）。双面钨极氩弧焊焊接参数如下：正面坡口氩气流量为18L/min，背面坡口氩气流量为12L/min，氩气纯度≥99.99%；正面坡口焊接电弧电压为12V，焊接电流为140A，焊接速度平均为70mm/min，线能量平均为14.4KJ/cm；背面坡口焊接电弧电压为12V，焊接电流为120A，焊接速度平均为70mm/min，线能量平均为12.3KJ/cm；采用摆动焊进行焊接。

（3）焊条电弧焊填充、盖面焊接

焊条使用前在300~350℃下烘烤1~2 h，使用过程中放在保温筒内随用随取；采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的5倍，焊条电弧焊的焊接参数如下：填充层：焊接电压为23V，焊接电流为120A，焊接平均速度为70mm/min，线能量平均为23.7 KJ/cm。盖面层：焊接电压为22V，焊接电流为108A，焊接平均速度为70mm/min，线能量平均为20.4KJ/cm。

（4）去应力热处理

采用570℃×1.5h的热处理工艺，保温结束后570℃~400℃温度范围内控制降温速率为65℃/h，温度降至400℃之后在静止的空气中冷却至室温。

焊接过程中，控制层间温度为70℃~100℃，钨极氩弧焊采用直流正接电源，焊条电弧焊采用直流反接电源。

经检测，焊接接头的抗拉强度为567MPa，断裂位置为母材，4个侧弯试样完好无裂纹。焊接接头-196℃冲击功分别为：氩弧焊焊缝127J、氩弧焊热影响区148J，焊条电弧焊焊缝101J、焊条电弧焊热影响区131J，远远大于50J，符合军工产品如大型低温风洞对于焊接接头-196℃冲击功的要求。焊接接头按照GB/T 4334标准中E法进行晶间腐蚀试验，一试样180°正弯后完好，另一试样180°反弯后出现3个凹坑，经金相法未见晶间腐蚀深度，故无晶间腐蚀倾向。

实施例2

本焊接方法控制层间温度为100℃~150℃，其余焊接工艺与实施例1一致。

经检测，焊接接头的抗拉强度为572MPa，4个侧弯试样无裂纹。焊接接头-196℃冲击功分别为：氩弧焊焊缝110J、氩弧焊热影响区135J，焊条电弧焊焊缝89J、焊条电弧焊热影响区116J，远远大于50J，符合军工产品如大型低温风洞对于焊接接头-196℃冲击功的要求。相对于实施例1中焊接接头的-196℃冲击功，无论是焊缝还是热影响区，在数值上都有所下降，说明控制层间温度在100℃以内，相对于控制在150℃以内，能够提高-196℃低温韧性。

实施例3

本焊接方法采用炉冷方式进行降温，570℃~400℃间的降温速率平均为29℃/h，其余焊接工艺与实施例1一致。

经检测，焊接接头的抗拉强度为575MPa，4个侧弯试样无裂纹。焊接接头-196℃冲击功分别为：氩弧焊焊缝124J、氩弧焊热影响区130J，焊条电弧焊焊缝103J、焊条电弧焊热影响区126J，远远大于50J，符合军工产品如大型低温风洞对于焊接接头-196℃冲击功的要求。

焊接接头按照GB/T 4334标准中E法进行晶间腐蚀试验，两试样经腐蚀弯曲180°，均有大量晶间腐蚀裂纹并断裂，固有晶间腐蚀倾向。一般产品进行去应力热处理，都是采用炉冷方式进行，降温速率基本上≤35℃/h，这对于碳钢来说并无明显影响。但对于不锈钢来说，如果降温速率太小，在降温阶段焊缝将会在500℃以上温度停留时间太长，而500℃~800℃是导致晶间腐蚀的温度区间，这有可能导致晶间析出Cr23C6，产生晶间腐蚀。

影响-196℃低温韧性的因素有很多，例如：焊缝中化学成分与组织的均匀性、焊丝表面处理、焊缝中非金属夹杂物、焊条药皮类型、焊缝中铁素体含量等。其中铁素体含量对于低温韧性的影响是最重要的，也是最显著的。通常焊缝中铁素体含量越低，焊缝低温韧性越好：一是由于铁素体属于体心立方结构，韧性不如奥氏体，二是铁素体富含Cr，在热处理过程中会析出σ相，名义成分是FeCr的富铬相硬而脆，其体积含量高时会降低韧度和延性。

对比例1的焊缝组织如图1所示。焊缝组织由奥氏体和板条状铁素体组成，铁素体含量相对较多，成为横切过原始枝状晶或包状晶生长的板条形状，为FA凝固模式。经金相法进行检测，铁素体含量在8%左右，这些铁素体是降低焊缝-196℃低温韧性的因素。

经上述比对可知，实施例1为最佳实施例。实施例1的焊缝组织如图2所示。焊缝组织由枝晶状奥氏体加微量铁素体组成，为A凝固模式，微量的铁素体存在于晶内和晶界，为图中白色小点。实施例1中出现凹坑的试样的微观金相如图3所示。

本发明提出的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，相对于传统的焊接工艺（采用E308L-XX焊条，碳弧气刨清根，层间温度控制在150℃以内，热处理保温结束后直接炉冷），其焊接接头低温冲击韧性大幅度提高，经过去应力热处理的焊接接头的-196℃低温冲击功＞50J，能够满足军工产品比如大型低温风洞的使用要求，且焊接接头的抗拉强度、塑性均符合承压设备工艺评定的要求。另外，通过控制热处理过程中的降温速率，避免了晶间腐蚀倾向，改善焊接接头的耐腐蚀性能。此外，本焊接方法操作过程简单，能够实现工程应用。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

对304L母材制备坡口后，将需焊接的304L母材进行组对装配，采用钨极氩弧焊进行点固焊；

采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接；

采用焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接；

对焊接后的304L奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理。

2.如权利要求1所述的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，对304L母材制备坡口后，采用氧乙炔中性焰对304L母材坡口两侧预设范围进行加热以去除水分。

3.如权利要求1所述的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，采用钨极氩弧焊进行点固焊后，采用砂轮机将点固焊背面焊缝进行打磨，直至露出银白色金属光泽。

4.如权利要求1所述的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，焊条电弧焊进行填充层和盖面层的焊接时，焊条选用E316LMn-15，焊条中除了N元素外的其它化学成分均符合GB/T 983标准， N元素的质量含量＜0.1%，焊条在300~350℃下烘烤1~2 h，采用摆动焊进行焊接，焊条摆动的幅度小于等于所使用焊条直径的5倍。

5.如权利要求4所述的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，进行填充层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24V，焊接电流为90~100A，焊接速度为50~85mm/min，线能量为12.7~28.8 KJ/cm；对于φ4.0mm的焊条，焊接电弧电压控制为20~24V，焊接电流为115~125A，焊接速度为55~80mm/min，线能量为17.3~32.7KJ/cm。

6.如权利要求4所述的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，进行盖面层焊接时，对于φ3.2mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24V，焊接电流为90~100A，焊接速度为70~80mm/min，线能量为13.5~20.6 KJ/cm；对于φ4.0mm的焊条，控制焊接电弧电压为20~24V，焊接电流为105~115A，焊接速度为65~95mm/min，线能量为13.3~25.5KJ/cm。

7.如权利要求1所述的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，所述对焊接后的304L奥氏体不锈钢焊接接头进行热处理的步骤具体如下：

热处理温度为550~590℃，保温时间为1~2h，保温结束到400℃的温度范围内控制降温速率≥65℃/h，温度降至400℃之后在空气中冷却至室温。

8.如权利要求1所述的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，在焊接过程中，控制层间温度≤100℃。

9.如权利要求1所述的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，钨极氩弧焊采用直流正接电源，焊条电弧焊采用直流反接电源。

10.如权利要求1至9中任意一项所述的提高304L奥氏体不锈钢焊接接头低温韧性的焊接方法，其特征在于，采用双面钨极氩弧焊进行打底焊接时，焊丝选用ER316LMn，焊条中除了N元素外的其它化学成分均符合GB/T 983标准， N元素的质量含量＜0.1%，两名焊工针对同一坡口根部同一时间同一速度焊接，正面坡口由一名焊工采用填丝焊，同时另外一名焊工在坡口背面进行不填丝重熔。

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