JPH03110088A - レーザ肉盛装置 - Google Patents

レーザ肉盛装置

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JPH03110088A
JPH03110088A JP1245332A JP24533289A JPH03110088A JP H03110088 A JPH03110088 A JP H03110088A JP 1245332 A JP1245332 A JP 1245332A JP 24533289 A JP24533289 A JP 24533289A JP H03110088 A JPH03110088 A JP H03110088A
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laser beam
laser
gas
vapor
overlay
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JP1245332A
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Yoshinobu Makino
吉延 牧野
Keizo Honda
啓三 本多
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明はレーザ肉盛装置に係り、特に欠陥の発生が少な
く長時間に渡り連続して安定的に肉盛施工をすることが
可能であり、レーザ光エネルギの利用効率を高めたレー
ザ肉盛装置に関する。
(従来の技術) 基材表面に金属材料を肉盛して基材表面を改質する肉盛
加工が広い分野で実施されており、代表的な施工法とし
てプラズマ粉体肉盛法(P T A)、TIG溶接によ
る金属肉盛法またはレーザ肉盛法などが一般的に採用さ
れている。
例えばプラズマ粉体内法において使用する肉盛装置は一
般に第6図に示すように、棒状の電極1と、電極1の外
側に配置した水冷式のチップ2と、そのチップ2の外側
に配置したノズル3とから成るトーチ4を備える。また
電極1のとチップ2との間には、パイロット電源PS1
・が配設され、電極1が正電位に、チップ2が負電位に
印加される。
その結果、電極1とチップ2との間にアークが発生し、
電極1とチップ2との間隙部を通り供給されたAr’P
He等の不活性ガスがアークによって加熱されプラズマ
アークが形成される。
一方、電極1と基材Wとの間に配設された主電源PS2
によって電極1が正電位に、基材Wは負電位に印加され
る結果、電極1と基材Wとの間に溶接電流が流れる。こ
のときチップ2の水冷速度を適宜調整することにより熱
源としてのプラズマアークが安定化される。粉末状の金
属材料はチップ2とノズル3との間の間隙部を通りAr
、  Co。
He等のキャリアガスに弾送されてプラズマアーク中に
連続的に投入される。投入された金属材料はプラズマア
ークの熱を受けて溶融し、基材Wの表面上に肉盛層5を
形成する。このとき溶融した金属材料の酸化を防止する
ためにAr’PHe等の不活性ガスがシールドガスとし
て、溶融部を覆うように流される。
第7図はTIG溶接装置による金属肉盛施工状態を示す
断面図である。この場合の肉盛装置は、タングステンま
たはタングステン合金から成る棒状の電極1aを有し、
また電極1aの周囲から基材W方向に不活性ガスから成
るシールドガス6を噴出させるTIG用トーチ7を備え
る。肉盛施工時にはシールドガス6を流し、そのシール
ドガス中において電極1aからアーク8を発生させる。
そして発生した高温度のアーク8中に溶加棒9を挿入し
、これを溶融せしめて肉盛層5を形成する。
ここで高温時における基材Wの耐酸化性を向上させる場
合には、肉盛層5を形成する金属材料としてはCo基の
ステライト系材料やNi基合金が採用される場合が多い
。
以上プラズマ粉体肉盛法やTIG溶接法などのようにプ
ラズマやアークを熱源とした金属肉盛法においては、プ
ラズマガスあるいはシールドガスとしてHeやArなど
の不活性ガスが用いられる。
この不活性ガスを使用することにより、高価なタングス
テン材料等で形成された電極の酸化消耗が効果的に防止
されるとともに溶融金属中に酸素や窒素などの大気成分
が混入することが防止され、変質や欠陥が少ない肉盛層
を形成することができる。
また近年熱源としてレーザ光を利用するレーザ肉盛装置
も多用化されている。第8図は従来のレーザ肉盛装置を
示す断面図である。レーザ肉盛装置は、熱源としてのレ
ーザ光10を発振させるレーザ発振器11と、発振され
たレーザ光10を基材Wの被加工部表面に集束する集光
レンズ12と、被加工部表面に粉体状の肉盛用金属材料
13を供給する金属材料供給装置14と、溶融する金属
材料のガスシールドを行なうために、被加工部に不活性
ガス15を供給する不活性ガス供給装置16とを備えて
構成される。また基材Wの一端を回転自在に保持する回
転装置17が付設されている。
肉盛加工を行なう場合には、まず不活性ガス供給装置1
6からAr’PHeなどの不活性ガス15を被加工部に
流してガスシールドを行ない、レーザ発振器11からレ
ーザ光10を発振させ、このレーザ光10を集光レンズ
12で集束し、加工する基材Wの被加工部に照射し、レ
ーザ光10の照射エネルギを被加工物表面および金属材
料供給装置14から供給された金属材料13に吸収させ
る。
そして金属材料13を溶融して基材Wの表面部と一体に
肉盛層5を形成する。回転装置17の回転速度は肉盛速
度に対応して設定されており、その回転により基材Wの
外周にスパイラル状に肉盛層5が形成される。
なお、被加工部表面に照射するレーザ光10の照射面積
やレーザ光10のエネルギ密度は、レーザ光10の集束
位置Fから被加工部表面までの距離を伸縮させることに
より、適宜調整される。
また溶融池付近は供給された金属原料13が吹き飛ばな
い程度の流量で不活性ガス15が流れ、溶融池が大気か
ら遮断されているため、溶融金属が大気中の酸素によっ
て酸化したり変質するおそれは少ない。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、プラズマ粉末肉盛法やTIG溶接による
肉盛法を適用するに当り、例えばマルテンサイト系ステ
ンレス鋼などのような焼入れ硬化性が高い材料を基材と
して使用する場合が多い。
この場合、常温度の素材に対して直接肉盛加工を行なう
と、熱影響部が硬化し、割れが発生する割合が高(なる
。
この割れを防止するため、予め基材を400〜500℃
程度に予熱し、しかる後に溶接入熱を作用させて肉盛溶
接を行なう方法が通常採用される。
しかしながら、予熱操作によって基材自体の組織が軟化
する結果、基材本来の強度特性が低下してしまうという
問題点がある。
一方従来のレーザ肉盛装置による肉盛施工では、入熱範
囲を狭く設定することが可能で熱影響を小さくできる反
面、被加工部の溶融池付近に不活性ガスを流し、溶融池
を大気から遮断した状態でレーザ光を照射しているため
、溶融池における酸素分圧が低下し、肉盛用金属材料粉
末および基材表面部におけるレーザ光の照射エネルギの
吸収率が小さく、レーザ光の利用効率が低くなるという
問題点があった。すなわち、溶融池におけるレーザ光か
らの入熱量が不足し、肉盛層内にブローホール等の欠陥
が発生し易くなる。これらの欠陥を防止するためには、
大出力のレーザ発振器を装備する必要があり、設備コス
トが増大する欠点がある。
またレーザ光の照射面積を絞りエネルギ密度を増大させ
ると、単位時間当りに肉盛加工ができる面積が減少する
ため、全加工時間が大幅に増大するという問題点が生起
する。
さらにレーザ光の出力強度を増大させると、被加工部か
ら蒸発する金属蒸気が増大し、その金属蒸気がレーザ光
の照射経路に侵入したレーザ光の照射エネルギを浪費し
てしまう欠点がある。すなわちレーザ光の照射経路に侵
入した金属蒸気はレーザ光のエネルギを加熱源として吸
収してプラズマ化するため、被加工部に照射されるレー
ザ光のエネルギは大幅に減少する。そして短時間のうち
に入熱量が低下し、肉盛施工が困難となる問題点がある
。特にレーザ光のエネルギ密度が最も高くなるレーザ光
の集束装置においては、金属蒸気のプラズマ化が著しく
なり、レーザ光の照射エネルギの低下も顕著となる。
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、肉盛層における欠陥の発生が少なく、長時間にわ
たり連続して安定的に肉盛施工をすることが可能であり
、レーザ光のエネルギの利用効率を高めたレーザ肉盛装
置を提供することを目的とする。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明は粉末状の金属材料を
被加工部に供給するとともに、レーザ発振器より発振さ
れたレーザ光を被加工部に照射して金属材料を肉盛する
レーザ肉盛装置において、少なくともレーザ光の集束装
置を含むレーザ光の照射経路に対して直角方向から蒸気
排除用ガスを噴射し、被加工部から発生した金属蒸気を
照射経路から排除するガス噴射ノズルを設けたことを特
徴とする。
(作用) 上記構成に係るレーザ肉盛装置によれば、ガス噴射ノズ
ルからレーザ光の照射経路に対して直角方向から蒸気排
除用ガスが噴射される。噴射された蒸気排除用ガスは、
照射経路内に侵入した金属蒸気を効果的に外部に排除す
る。そのため従来装置のようにレーザ光が金属蒸気をプ
ラズマ化するための熱源として浪費されることがないた
め、レーザ光は金属原料および被加工部を加熱するため
に有効に利用される。
そのため、被加工部に対する入熱量が不足することもな
く、肉盛層内に欠陥が発生することも少なく、長時間に
わたり連続して安定的に肉盛施工を行なうことができる
。
特にエネルギ密度が高いレーザ光の集束位置を含む照射
経路の金属蒸気を排除するように構成しているため、腋
部におけるプラズマの発生は未然に防止され、本来の肉
盛施工のために使用されるレーザ光の割合が増大し、エ
ネルギ効率を大幅に改善することができる。
また従来装置のような不活性ガスによる溶融池付近のガ
スシールドを行なわず、また蒸気排除用ガスもレーザ光
の照射経路に対して直角方向から流しているため、溶融
池付近においても大気が部公的に流通する。この場合溶
融池付近における酸素分圧が高くなるため、溶融池に対
するレーザ光の照射エネルギの吸収率が大幅に上昇し、
レーザ光の利用効率も大幅に高めることが可能である。
そのため従来装置と比較してレーザ発振器の出力容量を
小さくすることが可能となり設備コストも低減でき、ま
た肉盛加工速度も早くなり、加工効率を著しく向上でき
る等の利点がある。
(実施例) 次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第1図は本発明に係るレーザ肉盛装置の一実施例
を示す断面図である。なお第8図に示す従来例と同一要
素には同一符号を付して、その重複した説明を省略する
。
すなわち本実施例に係るレーザ肉盛装置は、粉末状の金
属材料13を被加工部に供給するとともに、C02レー
ザ発振器11より発振されたレーザ光10を被加工部に
照射して金属材料13を肉盛するレーザ肉盛装置におい
て、少なくともレーザ光10の集束位置Fを含むレーザ
光10の照射経路に対して直角方向から蒸気排除用ガス
19a。
19bを噴射し、被加工部から発生した金属蒸気を照射
経路から排除する一対のガス噴射ノズル20a、20b
を設けて構成される。
またガス噴射ノズル20aの先端開口は、レーザ光10
の集束位置Fに対向するように配設される一方、ガス噴
射ノズル20bは、金属材料13を被加工部に供給する
材料ノズル21の直上部に、その開口が同一方向を指向
するように配設される。
蒸気排除用ガスとしては、電離電圧が高く、プラズマ化
しにくいHe 、 N 2や空気が使用されるが、本実
施例では価格と汎用性に優れ、さらにレーザ光の吸収率
を高める作用を有する酸素を含有する空気を採用する。
ガス噴射ノズル20a、  2bは、図示しない流量計
、流量調整弁や減圧弁を介して空気供給装置22に接続
される。
肉盛加工を行なう際には、まずガス噴射ノズル20 a
、  20 bからレーザ光の照射経路に対して直角方
向から蒸気排除用ガス19a、19bとしての空気が噴
射される。
一方、CO2レーザ発振器11が起動してレーザ光10
が発振され、レーザ光10は集光レンズ12で一旦集束
された後に、被加工部表面において所定のエネルギ密度
が得られるように、被加工部から集束位置Fまでの距離
が調整される。一方金属材料供給装置14から粉末状の
金属材料13が被加工部表面上に供給される。供給され
た金属材料13および基材の被加工部はレーザ光10の
照射を受けて加熱され、金属材料13は溶融し基材W表
面に一体に肉盛層5を形成する。
このように本実施例に係るレーザ肉盛装置によれば、ガ
ス噴射ノズル20 a、  20 bからレーザ光10
の照射経路に対して直角方向から蒸気排除用ガス19 
a、  19 bとしての空気が噴射される。
噴射された空気は、照射経路内に侵入した金属蒸気を効
果的に外部に排除する。そのため従来装置のようにレー
ザ光10が金属蒸気をプラズマ化するための熱源として
浪費されることがないため、レーザ光10は金属材料1
3および被加工部を加熱するために有効に利用される。
そのため、被加工部に対する入熱量が不足することもな
く、肉盛層内に欠陥が発生することも少なく、長時間に
わたり連続して安定的に肉盛施工を行なうことができる
。
特にエネルギ密度が高いレーザ光10の集束位置Fを含
む照射経路の金属蒸気を排除するように構成しているた
め、核部におけるプラズマの発生は未然に防止され、本
来の肉盛施工のために使用されるレーザ光10の割合が
増大し、エネルギ効率を大幅に改善することができる。
また従来装置のような不活性ガスによる溶融池付近のガ
スシールドを行なわず、また蒸気排除用ガス19a、1
9bもレーザ光10の照射経路に対して直角方向から流
しているため、溶融池付近においても大気が部分的に流
通する。この場合溶融池付近における酸素分圧が高くな
るため、溶融池に対するレーザ光10の照射エネルギの
吸収率が大幅に上昇し、レーザ光10の利用効率も大幅
に高めることが可能である。そのため従来装置と比較し
てレーザ発振器の出力容量を小さくすることが可能とな
り設備コストも低減でき、また肉盛加工速度も早くなり
、加工効率を著しく向上できる等の利点がある。
次に本実施例に係るレーザ肉盛装置のより具体的な効果
について第2図および第3図を参照して説明する。
基材として焼入れ硬化性が高いSNCM630材を使用
する一方、肉盛用粉末としてステライト#6を供給し、
さらに蒸気排除用ガスとしてそれぞれAr、N、空気、
純酸素(02)を用いる場合と、蒸気排除用ガスを使用
せず通常の大気中においてそれぞれ肉盛溶接を行なった
場合について、肉盛部の硬さ分布および基材の熱影響部
の深さを測定し、第2図および第3図に示す結果を得た
。
第2図は同一施工条件において、蒸気排除用ガスとして
Arガスと空気とを使い分けた場合における基材Wおよ
び肉盛層のビッカース硬度分布を示すグラフである。蒸
気排除用ガスとしてArガスを使用した場合では、基材
による希釈が少ないため、肉盛層の硬さは著しく大きく
なるが、基材の硬化は少ない。
これに対して蒸気排除用ガスとして空気を使用した場合
においては、肉盛層は適度な硬さを呈しているが、熱影
響部の硬化が著しくなることがわかる。
また第2図は蒸気排除用ガスの種類を変えた場合におけ
る基材の熱影響部の深さを測定したグラフであり、被加
工部への入熱量の多少を示している。ArガスまたはN
2ガスなど酸素を含有しない不活性ガスを使用した場合
には、熱影響部の深さが浅くなる。これはレーザビーム
のエネルギの吸収率が低下し、母材(基材)への入熱量
が低下するからである。
一方、蒸気排除用ガス中の酸素含有量が高くなるほどレ
ーザビームの吸収率が高くなり、熱影響部の深さも深く
なる。また蒸気排除用ガスを噴射しない場合においては
、酸素を含む大気が溶融池に若干流通するため、溶融池
近傍における酸素分圧が高くなり、レーザビームのエネ
ルギの吸収効率が高まり、同様に熱影響部の深さが増大
する。
但し、蒸気排除用ガスとして純酸素を使用した場合は入
熱量は大きくなるが、肉盛形成が不安定になり、酸化物
等による欠陥も生じ易くなるため、不適当である。
したがって肉盛用金属材料として例えばNi基合金やC
o基合金など、高温時において耐酸化性を有する材料を
使用する場合においては、酸素の含有量が50マ01%
以下の気体、例えば空気などを蒸気排除用ガスとして使
用することが望ましい。
次に第1図に示すレーザ肉盛装置を使用した他の肉盛施
工例を説明する。
基材としてステンレス鋼を用い、また肉盛用金属材料と
しては、それぞれステライト#6(C。
基合金)、インコネル625(Ni基合金)の粉末材を
使用した。集光レンズ12はそれぞれ焦点距離が254
+nm、381mmのものを使用し、基材上のビーム径
が10〜20mになるように焦点を基材上方位置にずら
してレーザ光10の照射強度を調整した。CO2レーザ
発振器11の出力は6〜10Kwに設定した。また加工
速度は200〜1500 mm/winに調整するとと
もに、金属原料粉末の供給速度は15〜60 g/wi
nとした。またレーザクラツデイング中におけるスパッ
タおよび金属蒸気の発生を抑制するため、基材表面から
20■上方位置に横方向から圧縮空気を噴出するガス噴
射ノズル20bを設ける一方、レーザ光10の集束位置
Fにも横方向から圧縮空気を噴出するガス噴射ノズル2
0aを配設する。またレーザ光10の照射位置に形成さ
れる溶融池内に肉盛用金属材料13を供給する材料ノズ
ル21を設ける。この金属材料13の供給方向とガス噴
射ノズル20bの空気噴出方向とを同一方向にすると、
空気によって金属材料13が吹き飛ばされることが少な
い。
ガス噴射ノズル20bへの空気供給量は20〜801/
ll1in程度とする一方、集束位置Fに配設したガス
噴射ノズル20aへの空気供給量は100〜2001 
/ll1inとし、ガス圧力は3〜5 kg/cnfに
設定した。
このような条件の下でレーザ肉盛施工を施したところ、
レーザ光10の集束位置Fおよびその下方の照射領域に
空気が噴射されているため、発生した金属蒸気がレーザ
光10の照射領域から効果的に排除された。そのため照
射領域におけるプラズマの発生は全くなく、レーザ光1
0が有効に利用され、1時間以上にわたって安定した連
続的な肉盛加工を行なうことができた。また照射部に対
する入熱量が常に一定に保持されるため、肉盛層内部に
欠陥が発生することがなかった。さらにレーザ光10の
エネルギが、肉盛用金属材料粉末および基材に吸収され
る割合が高くなり、従来装置で同一厚さの肉盛層を形成
する場合と比較してレーザ発振器11の出力を20%程
度小さくすることができた。また連続的な肉盛施工が可
能となるため、加工時間を大幅に短縮することができた
。
次に第4図および第5図に示す他の実施例について説明
する。第4図に示すレーザ肉盛装置は、ノズル18内に
形成されたレーザ光10の集束位置Fに対向した位置お
よびノズル18の出口部のレーザ光照射領域に対向した
位置にガス噴射ノズル20c、20dをそれぞれ設け、
蒸気排除用ガス19c、19dとしての空気をそれぞれ
噴出させるようにして構成される。
本実施例においても発生した金属蒸気が、蒸気排除用ガ
スL9c、19dによってレーザ光照射領域から効果的
に排除されるため、プラズマの発生がなく、レーザ光1
0が金属原料および基材の加熱源として効率的に利用さ
れるとともに、健全な肉盛層を形成することができる。
また第5図に示すレーザ肉盛装置は、レーザ光10の集
束位置Fを含むレーザ光10の照射領域のほぼ全体に直
角方向から空気を噴射する長い開口を有するガス噴射ノ
ズル20eを設け、蒸気排除用ガス19cとしての空気
を流すように構成される。但し、ガス噴射ノズル20e
のυη口部面積大きくなるため、空気供給装置22にお
ける空気の供給ガス圧力は5 kg/cnf以上必要と
なる。
本実施例によればレーザ光10の照射領域に侵入する金
属蒸気が殆どなくなり、プラズマ発生をより効果的に防
止することができる。したがって、レーザ光10のエネ
ルギの利用効率がより向上し、安定した肉盛施工が可能
となる。
〔発明の効果〕
以上説明の通り本発明に係るレーザ肉盛装置によれば、
ガス噴射ノズルからレーザ光の照射経路に対して直角方
向から蒸気排除用ガスが噴射される。噴射された蒸気排
除用ガスは、照射経路内に侵入した金属蒸気を効果的に
外部に排除する。
そのため従来装置のようにレーザ光が金属蒸気をプラズ
マ化するための熱源として浪費されることがないため、
レーザ光は金属材料および被加工部を加熱するために有
効に利用される。
そのため、被加工部に対する入熱量が不足することもな
く、肉盛層内に欠陥が発生することも少なく、長時間に
わたり連続して安定的に肉盛施工を行なうことができる
。
特にエネルギ密度が高いレーザ光の集束位置を含む照射
経路の金属蒸気を排除するように構成しているため、核
部におけるプラズマの発生は未然に防止され、本来の肉
盛施工のために使用されるレーザ光の割合が増大し、エ
ネルギ効率を大幅に改善することができる。
また従来装置のような不活性ガスによる溶融池付近のガ
スシールドを行なわず、また蒸気排除用ガスもレーザ光
の照射経路に対して直角方向から流しているため、溶融
池付近においても大気が部分的に流通する。この場合溶
融池付近における酸素分圧が高くなるため、溶融池に対
するレーザ光の照射エネルギの吸収率が大幅に上昇し、
レーザ光の利用効率も大幅に向上させることが可能であ
る。そのため従来装置と比較してレーザ発振器の出力容
量を小さくすることが可能となり設備コストも低減でき
、また肉盛加工速度も早くなり、加工効率を著しく向上
できる等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るレーザ肉盛装置の一実施例を示す
断面図、第2図は基材および肉盛層のビッカース硬さに
対するシールドガスの影響を示すグラフ、第3図は蒸気
排除用ガスの種類と熱影響部の深さとの関係を示すグラ
フ、第4図は他の実施例を示す断面図、第5図はその他
の実施例を示す断面図、第6図はプラズマ粉体肉盛装置
の構成を示す断面図、第7図はTIG溶接による金属肉
盛施工状態を示す断面図、第8図は従来のレーザ肉盛装
置の構成を示す断面図である。 1.1a・・・電極、2・・・チップ、3・・・ノズル
、4・・・トーチ、5・・・肉盛層、6・・・シールド
ガス、7・・・TIG用トーチ、8・・・アーク、9・
・・溶加棒、lO・・・レーザ光、11・・・レーザ発
振器、12・・・集光レンズ、13・・・金属材料、1
4・・・金属材料供給装置、15・・・不活性ガス、1
6・・・不活性ガス供給装置、17・・・回転装置、1
8・・・ノズル、19a、19b、19c、19d、1
9e−蒸気排除用ガス、20a、20b、20c、20
d、20e−・・ガス噴射ノズル、21・・・材料ノズ
ル、22・・・空気供給装置、F・・・レーザ光の集束
位置、W・・・基材。 7 0 第 1図 運さ 第2図 黒4気刊を陀用がスの檀頬 第3図 第4図 第5図 第6図 W 第7図 第8区

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、粉末状の金属材料を被加工部に供給するとともに、
    レーザ発振器より発振されたレーザ光を被加工部に照射
    して金属材料を肉盛するレーザ肉盛装置において、少な
    くともレーザ光の集束位置を含むレーザ光の照射経路に
    対して直角方向から蒸気排除用ガスを噴射し、被加工部
    から発生した金属蒸気を照射経路から排除するガス噴射
    ノズルを設けたことを特徴とするレーザ肉盛装置。 2、金属材料はNi基合金、Co基合金等の耐酸化性材
    料である一方、蒸気排除用ガスは酸素を含有することを
    特徴とする請求項1記載のレーザ肉盛装置。
JP1245332A 1989-09-22 1989-09-22 レーザ肉盛装置 Pending JPH03110088A (ja)

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