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焊接工艺
起重设备焊接工艺通则
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批 准:
目 录
一、起重设备焊接结构常用金属材料
(2)
二、常用焊接方法及适用范围 (4)
三、焊材品种及选用原则 (5)
四、焊接坡口及焊脚尺寸的一般规定 (9)
五、焊缝质量等级和无损检测 (12)
六、焊接结构的焊前预热、焊后保温及焊后消应力 (16)
七、起重机焊接结构设计图面焊接技术要求注明示例 (17)
八、常用焊接符号标注示例 (20)
起重设备焊接工艺通则
焊接结构在起重设备中占有十分重要的位置,它几乎达到每台起重设备制造工件量的70%以上。
设计人员如何根据起重设备中各种焊接结构的承载状况、技术要求、工作环境等因素,合理地选择结构用钢材、焊材和焊接方法,如何根据焊缝的重要程度,合理地选用焊缝无损检测标准并确定检验质量等级,对保证设备制造质量、控制设备制造成本都是非常重要的。
本通则根据国家有关标准的规定,结合工厂的实际生产情况,对起重设备焊接结构的常用钢材、常用焊材、常用焊接方法、典型焊接结构的焊缝坡口形式及焊脚尺寸、常用焊缝无损检测标准和检验质量等级、焊前预热、焊后保温、消除焊接应力等内容作了简要的介绍。
另外,还对起重设备各种典型焊接结构设计图面焊接技术要求的注明及焊接符号的标注作了示意性介绍,仅供设计人员参考.
一、起重设备焊接结构常用金属材料
目前,国内各种起重设备焊接结构经常使用的金属材料主要有碳素结构钢和低合金高强度结构钢(板材及各种型材)两大类,现对这些材料的焊接性能、机械性能、使用范围及使用注意事项分述下:
(各种材料的化学成份、力学性能详见机械设计手册第四版第一卷P3-11~21页)
1.碳素结构钢(GB/T700-1988)
碳素结构钢有:
Q195、Q215(A、B)、Q235(A、B、C、D)、Q255(A、B)、Q275等五种牌号。
原料供应状态有热轧钢板、钢带、型钢、棒钢。
在起重机各种焊接结构中,Q235钢用得最多,其焊接性能及应用情况概述如下:
1)Q235A:
属沸腾钢,无冲击韧性要求,化学成份不均匀,内部杂质较多,抗腐蚀性和机械强度较差,但焊接性能好,广泛用于起重机的各种不重要的焊接结构中,如各种非主要受力的基座、梯子平台、机器房的框架及面板等;
2)Q235B:
也属沸腾钢,但有常温(+20℃)冲击韧性要求,焊接性能好,我国南方沿海各省(环境温度在-5~45℃)制造的起重机,很多较重要的焊接结构都采用这种材料,如一般受力状态的卷筒体、拉杆、各种支腿、台车架、均衡梁、立柱及各种箱形结构中的加强筋板等。
3)Q235C Q235D:
属镇靜钢,晶粒较细,焊接性能好、可满足0℃~-20℃低温条件下的冲击韧性要求,广泛用于(特别是北方各省)起重机各种重要焊接结构中,如各种箱型梁及工字梁的翼缘板和腹板、平衡梁、门架、卷筒等;
同一种牌号中不同质量等级的材料,化学成份及机械性能区别不大,四种质量等级的Q235材料的抗拉强度(σb)均为375~500MPa,屈服点(σs)均为235Mpa。
(这个数值仅指厚度≤16mm的板材,其它厚度板材的σs值随板厚增加而降低)。
同一种牌号中不同质量等级的材料主要和关鍵的区别在冲击韧性指标上,具体为:
A级-无冲击韧性要求;
B级-常温(+20℃)冲击韧性要求;
C级-0℃冲击韧性要求;
D级--20℃冲击韧性要求;
E级--40℃冲击韧性要求;(只有低合金结构钢Q345、Q390、Q420、Q460四种牌号的材料才有此项质量等级)
2.低合金结构钢(GB/T1591-1994)
低合金结构钢有:
Q295(A、B)、Q345(A、B、C、D、E)、Q390(A、B、C、
D、E)、Q420(A、B、C、D、E)、Q460(C、D、E)五种牌号。
原料供应状态有热轧、正火、正火加回火状态的钢板、型钢、棒钢。
在起重机各种重要焊接结构中,Q345钢用得最多。
以下对五种牌号钢材的焊接性能及应用概述如下:
1)Q295(A、B):
Q295A无冲击韧性要求,在热轧和正火状态下使用,具有良好的塑性、冷弯性和焊接性,而且综合机械性能比Q235A好,广泛用于起重设备及其它设备的各种比较重要的焊接结构上;
Q295B的抗低温性能很好,可满足-50℃~-70℃的低温冲击韧性要求,而且具有良好的塑性、冷弯性和焊接性,广泛用于寒冷地区起重设备及其它设备的各种重要焊接结构上;
2)Q345(A、B、C、D、E)
综合力学性能良好,特别是Q345(C、D、E)三种质量等级的材料,可满足0℃、-20℃、-40℃的低温冲击韧性。
此材料的焊接性能也很好,广泛用于起重设备的各种重要焊接结构上,如各种主梁及其它承载梁的翼缘板和腹板、各种桁架结构的主弦杆和腹杆、节点板、铰耳板、立柱、卷筒体等;
3)Q390(A、B、C、D、E)
此材料的σb和σs都高于Q345。
由于含Cr,V比Q345高,故焊接性能要相对差些,热轧状态下厚度>8mm钢板的塑性、韧性均差,焊接性能也较差。
但在正火状态下,机械性能及焊接性能良好。
Q390(C、D、E)三种质量等级的材料在0℃、-20℃、-40℃低温条件下的冲击韧性及综合机械性能都很好。
此材料适用于起重设备中各种承受重载荷的重要焊接结构上;
4)Q420(A、B、C、D、E) Q460(C、D、E)
这两种材料的σb和σs都高于其它低合金结构钢。
小截面钢材在热轧状态下可直接投入使用,由于含Cr、V比较高,对厚度>17mm的板材,应在正火状态下投入使用,在这种状态下,材料的综合力学性能、焊接性能才能满足使用要求,这两种材料0℃~-40℃的低温韧性也很好(Q420A、B除外),都适用于起重设备中各种承受重载荷的特别重要焊接结构中;
低合金结构钢与碳素结构钢一样,同一种牌号中不同质量等级的材料,化学成份及机械性能区别不大,主要和关鍵的区别也是冲击韧性指标。
各种牌号的低合金结构钢的σs值也是仅指厚度≤16mm的板材,其它厚度板材的σs值随板厚增加而降低。
3.由于在起重机的焊接结构中,很少选用优质碳素结构钢和合金结构钢及其他特殊钢材,故均免予说明。
如结构中需要选用这些材料,可查阅相关资料确定相应焊材及焊接工艺;‘
二、常用焊接方法及适用范围
1、焊条电弧焊(手工电弧焊):
适用于全位置焊接,对焊工的操作技能要求较高,生产效率低,广泛用于碳素结构钢、低合金结构钢的焊接;
2.埋弧自动焊:
生产效率高,可靠性好,能有效地克服焊件变形的影响,减轻劳动强度,确保焊接质量,对焊工的操作技能要求较低,尽可能优先采用,适用于厚度在6mm以上的中厚板对接、搭接的长直焊缝和园形焊缝;
3.气体保护焊
气体保护焊是用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊。
它可以防止空气中的有害气体侵入熔池,保证焊件的焊接质量。
气体保护焊方法有多种,起重设备焊接结构用得最多的是CO2气体保护焊。
CO2气体保护焊生产效率高,焊接成本低,抗氢气孔能力强,适用于各种位置的焊接,对焊工的操作技能要求较高,尽可能优先采用。
但室外大风情况下不宜采用。
4.氩弧焊
氩弧焊也是一种气体保护焊,它分钨极氩弧焊(TIG焊)和熔化极氩弧焊(MIG焊)。
氩弧焊焊接变形较小,生产效率低,一般较多用于薄板(δ≤4mm)焊接。
其中MIG焊适用于有色金属焊接,效率高;
三、焊材品种及选用原则
1、常用焊材品种:
1)手工电弧焊焊条:
GB/T5117-1995《碳钢焊条》
GB/T5118-1995《低合金钢焊条》
2)焊丝:
GB/T14957-1994《熔化焊用焊丝》
GB/T8110-1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》
GB/T10045-1988《碳钢药芯焊丝》
GB/T17493-1988《低合金钢药芯焊丝》
3)焊剂:
GB/T5293《碳素钢埋弧焊用焊剂》
GB/T12470《低合金钢埋弧焊用焊剂》
4)氩气和二氧化碳:
GB/T4842《氩气》
HG/T2537《焊接用二氧化碳》
5)焊钉及焊接瓷环:
GB/T10433《园柱头焊钉》
2、选用焊材的一般原则
1)同类钢材焊接的焊材选用原则:
同类钢材焊接应按等强度原则选用焊材,焊材的抗拉强度、屈服强度、伸长率、V型冲击性能等均不应低于母材,其中抗拉强度是主要考虑因素。
但焊材的强度也不宜过多地高于母材强度,通常以不高出50Mpa(5kg)为宜;
2)不同牌号钢材焊接的焊材选用原则:
①不同强度的钢材焊接应选用与低强度钢材相匹配的焊材;
②碳素结构钢或低合金结构钢与优质碳素钢、合金结构钢(含锻件、铸件)焊接,应选用与碳素结构钢或低合金结构钢相匹配的焊材;(见表一示例)
3)常用结构钢焊条电弧焊选用的焊条应符合GB5117-85《碳钢焊条》的要求,具体选配详见表二;
4)CO2气体保护焊焊丝选用原则
常用结构钢CO2气体保护焊应选用保证焊缝质量与母材机械性能相同的药芯焊丝或实芯焊丝.用药芯焊丝焊出的焊缝冲击韧性一般,抗裂性也一般,但焊缝外观平滑美观,而且全位置焊接的工艺性好。
用实芯焊丝焊出的焊缝冲击韧性良好,抗裂性也良好,但焊缝外观不CO2气体保护焊好,而且全位置焊接的工艺性稍差。
CO2气体保护焊焊丝的具体选配详见表三;
5)常用结构钢埋弧焊应选用能保证焊缝性能与母材机械性能相同的焊丝及对应的焊剂,碳素结构钢与低合金结构钢焊接时,通常选用强度等级与母材相等、抗裂性能较好的焊丝。
具体选配详见表四;
6)焊件刚度较大,母材含碳、硫、磷有害成份较高、外界温度偏低时,容易导致焊缝产生裂纹,应选择抗裂性能和抗气孔性能较好的碱性焊条,如氧化钛钙型、钛铁矿型焊材;(如E4301、E5001、E5501-G)
7)对承受动载荷和冲击载荷的焊缝,要选用熔敷金属具有较高冲击韧性、较高延伸率的焊条,可依次选用低氢钛钙型和氧化铁型的焊材;(如E5003、E4327、E5027)对承受靜载荷的焊缝,则应选用抗拉强度与母材相等的焊条。
8)焊接结构如经常处于非常温条件下工作,应选择相应的能保证低温或高温力学性能的焊材;(如J427NI、E5503-B1、E5515-B2)
9)对形状复杂、刚性大或焊件厚度大的焊接结构,由于焊缝金属冷却时收缩应力大,容易产生裂纹,必须选用抗裂性强的低氢型焊材或氧化铁型焊材;(如J506R、J507H、J607NI、J556RH)
10)对于空间狭小或通风条件差的焊接部位,应尽量选用酸性焊条或低尘焊条;(如J426DF、J506DF、J507DF)
11)在没有直流焊机的情况下,不能选用低氢钠型焊条。
当焊件不能翻身而必须要进行全位置焊接时,应选用适合各种条件下进行全位置焊接的焊条。
表一 异种钢材焊接焊材选用示例
焊接结构的母材材质
手工电弧焊
焊材型号(牌号)
备 注
材质一
材 质 二
Q235
Q345、30、45
E4315(J427)
调质材料要焊前预热、焊后保温。
Q345
45、40Cr
E5015(J507)
Q235
Q345
1Cr18Ni9Ti
2Cr13
E309-1(A302)
E309-15(A307)
Q235
ZG230-450、ZG270-500
E4315(J427)
铸钢件应焊前预热、焊后保温
Q345
ZG230-450、ZG270-500
E5015(J507)
表二常用结构钢焊条电弧焊焊材选配表
钢材
焊材
备注
牌号
等级
σb
(MPa)
σS(MPa)
焊条
型号
σb
(MPa)
σS
(MPa)
钢材及焊材的力学性能值均为最小值
δ≤16
(mm)
δ>50~
100(mm)
Q235
A
375~460
235
205
E4301
420
330
用于一般结构焊接
B
E4303E4311
E4315
E4316
E4328
用于较重要结构焊接
C
用于重要结构焊接,满足-20℃冲击韧性要求。
D
用于重要结构焊接,满足-30℃冲击韧性要求。
Q345
A
470~630
345
275
E5003
490
390
用于一般结构焊接
B
E5003
用于一般结构焊接
E5015
E5016
E5018
用于重要结构焊接,满足-30℃冲击韧性要求。
C
E5015
E5016
E5018
D
E
0
按用户要求,协商确定焊材
Q390
A
490~650
390
330
E5015
E5016
490
390
用于重要结构焊接,满足-30℃冲击韧性要求
B
C
E5515
E5516
540
440
D
E
0
按用户要求,协商确定焊材
Q420
A
520~680
420
360
E5515
E5516
540
540
用于承受重载结构焊接,满足-30℃冲击韧性要求
B
C
D
E
0
按用户要求,协商确定焊材
表三常用结构钢CO2气体保护焊实芯焊丝选配表
钢材
焊丝
型号
焊丝力学性能
备注
牌号
等级
σb(MPa)
σs(MPa)
δS(%)
Q235
A
ER49-1
490
372
20
用于一般结构焊接
B
C
ER50-6
500
420
22
用于重大结构焊接
焊缝可满足-20℃冲击韧性要求
D
Q345
A
ER49-1
490
372
20
用于一般构件焊接
B
ER50-3
500
420
22
用于重大结构焊接
C
ER50-2
500
420
22
用于重大结构焊接,焊缝可满足-30℃冲击韧性要求
D
E
0
按用户要求,协商确定焊丝
Q390
A
ER50-3
500
420
22
用于重大结构焊接
B
C
用于重大结构焊接,焊缝可满足-20℃冲击韧性要求
D
ER50-2
500
420
22
用于重大结构焊接,焊缝可满足-30℃冲击韧性要求
E
0
按用户要求,协商确定焊丝
Q420
A
ER55-D2
550
470
17
用于承受重载结构焊接
B
C
用于承受重载结构焊接,焊缝可满足-30℃冲击韧性要求
D
E
0
按用户要求,协商确定焊丝
表四常用结构钢埋弧焊焊丝选配表
钢材
焊剂型号—焊丝牌号
备注
牌号
等级
Q235
A..B..C.
F4A0—H08A
D
F4A2—H08A
Q345
A
F5004—H08A
薄板I型坡口对接
F5004—H08MnA.F5004—H10Mn2.
中厚板坡口对接
B
F5014—H08A.F5011—H08A
薄板I型坡口对接
F5011—H08MnA.F5011—H10Mn2.
F5014—H08MnA.F5014—H10Mn2
中厚板坡口对接
C
F5021—H08A.F5024—H08A
薄板I型坡口对接
F5021—H08MnA.F5021—H10Mn2.
F5024—H08MnA.F5024—H10Mn2
中厚板坡口对接
D
F5031—H08A.F5034—H08A
薄板I型坡口对接
F5031—H08MnA.F5031—H10Mn2.
F5034—H08MnA.F5034—H10Mn2
中厚板坡口对接
E
F5031—0
焊丝由供需双方商定
Q390
A..B
F5011—H08MnA
薄板I型坡口对接
F5011—H10Mn2.F5011—H08MnM0A
中厚板坡口对接
C
F5021—H08MnA
薄板I型坡口对接
F5021—H10Mn2.F5021—H08MnM0A
中厚板坡口对接
D
F5031—H08MnA
薄板I型坡口对接
F5031—H10Mn2.F5031—H08MnM0A
中厚板坡口对接
E
F5041—0
焊丝由供需双方商定
Q420
A..B
F6011—H10Mn2.F6011—H08MnM0A
中厚板坡口对接
C
F6021—H10Mn2.F6021—H08MnM0A
中厚板坡口对接
D
F6031—H10Mn2.F6031—H08Mnm0A
中厚板坡口对接
E
F6041—0
焊丝由供需双方商定
四、焊接坡口及焊脚尺寸的一般规定
1.一般结构焊缝
电动机基座、减速机基座、制动器基座、机房、梯子平台等一般焊接结构,母材厚度≤10mm的焊缝可不开焊接坡口,采用连续贴角焊,焊脚高度双面焊时为连接件中薄厚度的0.6倍,单面焊时等于连接件中的薄厚度。
母材厚度>10mm的焊缝,可视板厚大小及焊缝位置是否便于施焊,开单面或双面坡口均可(坡口均为500),焊缝不要求焊透。
加强筋板一般不开坡口,采用双面贴角焊,焊脚高度为连接件中薄厚度的0.6倍;
2.板材对接焊缝
①厚度≤6mm的板材对接,均采用无坡口I型对接焊缝;
②厚度8~18mm的板材对接,一般采用单面60°(两边各30°)坡口,坡口留根1~2mm,反面加底衬或清根后焊平;
③厚度≥20mm的板材对接,均采用双面60°(两边各30°)坡口,留根1~2mm的对接焊缝;
④两种不同厚度的板材对接,应先将厚板的一面或双面按薄板厚度加工成1:
4的过渡斜坡后再根据薄板厚度按以上规定开单面或双面焊接坡口进行对接;
3.工字梁结构焊缝
①翼缘板的长度可以对接,对接板的最小长度应大于宽度的2倍,但翼缘板的宽度不允许对接;
②腹板长度和宽度均可以对接,对接板的最小长度应大于600mm,对接宽度应大于300mm,腹板允许产生T型焊缝和十字型焊缝(但应尽量避免);
③翼缘板、腹板的对接焊缝不能处于梁的同一截面上,应有500mm以上间距;
④腹板的对接竖焊缝与横筋板的间距应不小于200mm;
⑤翼缘板或腹板的对接焊缝坡口型式可按板材对接焊缝的①、②、③条规定;
⑥翼缘板与腹板相连接的角焊缝,当腹板厚度≤10mm时,采用双面贴角焊,焊脚高度为腹板厚度的0.8倍。
当腹板厚度≥12mm时,采用双面50°坡口焊, 坡口留根1∽2mm;
⑦加强筋板厚度≤12mm时,均采用双面贴角焊,焊脚高度为筋板厚度的0.6倍,厚度≥14mm时,应采用双面50°坡口焊,坡口留根1∽2mm;
4.箱形梁结构焊缝
箱形梁翼缘板、腹板对接的要求与工字梁焊缝的第①、②、③条规定相同,对接焊缝坡口形式与板材对接焊缝的第①、②、③条规定相同;
②根据受力情况、板厚尺寸及梁的截面大小,箱形梁翼缘板与腹板相连接的角焊缝,一般规定如下:
A:
腹板厚度≤8mm时,对大截面梁,四角均采用双面贴角焊,焊脚高度为腹板厚度的0.8倍;对小截面梁,可对梁下部的两角采用双面贴角焊,焊脚高度为腹板厚度的0.8倍,对梁上部最后封板处两角的外侧采用单面贴角焊,焊脚高度等于腹板板厚;
B:
腹板厚度≥10mm时,对大截面梁,可以对四个角均采用双面坡口焊,也可以对梁下部的两角采用双面坡口焊,对梁上部最后封板处的两角采用单面坡口焊,坡口倒在外侧,留根1~2mm。
对小截面梁,可以对四角均采用单面坡口焊,坡口均倒在腹板外侧,留根1~2mm。
也可对梁下部的两角采用双面坡口焊,对梁上部最后封板处的两角采用单面坡口焊,坡口倒在外侧,留根1~2mm;
(注:
关于梁的截面大小,无明确规定,仅以是否适宜工人在梁内施焊为准)
箱形梁中的传力筋板四周均应施焊,当筋板厚度≤10mm时,对大截面梁, 四边均采用双面连续贴角焊,焊脚高度为筋板厚度的0.6倍,当筋板厚度≥12mm时,四边均采用双面或单面坡口焊;对小截面梁,当筋板厚度≤10mm时,三边采用双面连续贴角焊,焊脚高度为筋板厚度的0.6倍。
封口边用过渡板先与筋板焊接,然后将过渡板与翼缘板用塞焊焊接;当筋板厚度≥12mm时,封口边可不要过渡板,直接将筋板与翼缘板采用塞焊焊接;
箱形梁中的非传力筋板只对翼缘板和腹板起加强作用,对工况为水平状态的箱形梁,受力方向与梁中心线垂直,加强筋板只与腹板及受压边的翼缘板三边进行焊接,受拉边不焊。
(对于大型的箱形梁四边都应焊)另外,为保证构件外观质量,加强筋板与翼缘板和腹板的焊接一般采用双面对称间断焊,焊脚高度为筋板厚度的0.6倍;但对工况为垂直状态的箱形梁,受力方向与梁中心线平行,加强横筋板四边均应与翼缘板和腹板进行焊接,焊缝采用双面对称间断焊,焊脚高度为筋板厚度的0.6倍。
对小截面梁,封口边的焊接方法与第②条所述方法相同;
③传力筋板或加强筋板中部方孔周边与围板的焊接均采用双面連续贴角焊,焊脚高度为筋板厚度的0.6倍;
5.钢管桁架结构焊缝
①钢管桁架结构主弦杆和腹杆的长度需要对接时,主弦杆的最小对接长度一般应大于钢管外径的3倍(最短不少于2m或一个节间距长度),腹杆的最小对接长度一般应大于钢管外径的2倍(最短不小于1m);
②壁厚≤6mm的钢管对接,采用无坡口加封底I型对接焊缝;壁厚≥8mm的钢管对接,采用单面60°坡口(两边各30°)加封底对接焊缝,坡口留根1~2mm;
③腹杆与主弦杆连接的角焊缝,腹杆壁厚≤8mm时,可直接采用环形贴角焊,焊脚高度等于腹杆壁厚。
腹杆壁厚≥10mm时,可采用单面50°坡口焊,坡口留根0.5~1mm;
④主弦杆与铰耳板或节点板的连接,先将主弦杆开槽,然后将铰耳板或节点板揷入槽中,当主弦杆壁厚≤8mm时,采用连续贴角焊进行焊接,焊脚高度等于主弦杆壁厚;主弦杆壁厚≥10mm时,主弦杆开槽后,再沿槽边倒50°坡口,坡口留根0.5~1mm,然后将铰耳板或节点板揷入槽中进行焊接;
6.卷筒结构焊缝
①钢丝绳卷筒筒体钢板厚度一般都大于25mm,沿中心线方向拼接的直焊缝,在卷筒内径≤900mm时,釆用单面60°坡口(两边各30°),坡口留根1—2mm,加封底的对接焊缝,卷筒内径>900mm时,釆用双面60°坡口(两边各30°),坡口留根1—2mm不加衬垫的对接焊缝。
筒体对接的环焊缝坡口形式与轴向拼接直焊缝坡口形式相同。
筒体拼接只允许出现T形焊缝,不允许出现十字形焊缝;
②筒体与端板连接的角焊缝,在有轴殻的一端,可采用单面50°坡口焊,坡口留根1~2mm。
在筒体的另一端,则应视筒体直径大小,采用单面坡口焊或双面坡口焊。
端板与轴殻连接的角焊缝,较多釆用单面坡口焊,坡口开在端板的外侧面。
与筒体和轴殻焊接的横筋板,均采用单面坡口焊,坡口开在哪一边,应根据筒体内经大小,便于工人进行焊接的情况决定;
③与端板和轴殻连接的加强筋板,一般都釆用双面贴角焊,焊缝高度为筋板厚度的0.6倍;
④其它重要受力结构的筒体,其轴向拼接和环形对接的焊缝形式与钢丝绳卷筒焊缝形式基本相同;
五、焊缝质量等级和无损检测
1.焊缝质量等级的规定
按GB50017《钢结构设计规范》的规定,根据结构重要性、载荷特性、焊缝形式、应力状态及工作环境等情况,将焊缝内部质量规定为一级、二级和三级,这与现行的焊缝内部缺陷探伤分级相呼应,从设计到施工形成相贯的整体。
焊缝外部质量
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