摘 要:钨极惰性气体保护(TIG)焊过程中的熔池流动对焊缝最终几何形状、显微组织、残余应 力等有重要影响,了解熔池流动特性对控制焊缝质量和性能有重要意义。目前,熔池流动特性的研 究方法主要分为试验测试、数值模拟和量纲分析 动特性研究方法的现状,对比分析了不同研究方法3的大特类点,综,并述对了今近后年的来研国究内方外向关进于行T了IG展焊望熔。

关键词:TIG 焊;熔池流动特性;数值模拟;试验测试;量纲分析

中图分类号:TG402 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)04-0012-09

0 引 言

钨极惰性气体保护(tungsteninertgas,TIG) 焊是利用钨极作为非熔化电极,惰性气体作为保护 气的一种电弧焊方法,因具有工艺成熟、焊缝质量 高、焊接稳定性较高等特点而在现代工业生产中得 到大量应用。TIG 焊熔池中的熔融金属在电弧压 力、浮力、表面张力、洛伦兹力、等离子流力等的共同 作用下发生剧烈流动,使熔池中的传热/传质过程得 以进行。在焊接过程中,填充金属与母材混合不均 匀会影响熔池流动,从而影响焊缝的几何形状[1-4]。 熔池流动会影响熔池内部对流传热过程,继而影响 熔池内部固态相变以及晶粒结构,并最终影响焊接 接头的质量和性能[5-6]。此外,熔池流动也会影响熔 池传质过程,熔池的传质直接决定着焊缝金属的成 分分布,进而影响焊缝的耐腐蚀、抗疲劳等性能[7-9]。 通过调控熔池流动改变熔池对流传热、流动速度、凝 固速率、表面张力温度系数等参数,从而改善焊缝成 形质量及接头性能是 TIG 焊应用的关键。目前,国 内外学者对 TIG 焊熔池的流动特性进行了大量研 究[10-14],主要研究方法可分为试验测试、数值模拟 和量纲分析3大类。试验测试法主要通过视觉传感 器对熔池进行实时监测,或在熔池中加入示踪粒子, 通过观察示踪粒子运动轨迹来分析熔池流动特性。 近年来还有学者提出了一种使用物理模型模拟熔池 流动特性的研究方法,可以在一定程度上还原出熔池的流动行为[15-16]。由于熔池处于高温状态,具有 多物理场强耦合的动态变化特征,同时熔池在强烈 弧光照射环境下会大幅增加视觉传感器采集图像信 息的难度,从而给试验测量带来了巨大困难。数值 模拟法通过建立熔池传热/传质数学模型,利用有限 元方法计算出熔池温度场和流场等,对比分析不同 焊接参数下熔池温度场及流场分布特征,研究熔池 流动特性及流动机理。数值模拟法可以直观地展现 熔池流动过程中的各种热力学现象,与试验测试法 相互配合,有助于更加全面地了解熔池流动特性,因 而被越来越多学者所采用[17-19]。量纲分析法是基 于相似理论,通过不同系统传输方程的对比,确定描 述传输过程的无量纲特征数,进一步基于特征数的 比较,实现流动、传热及传质过程主要影响因素的定 性分析。为了给相关科研人员提供参考,作者对国 内外有关 TIG 焊熔池流动特性的研究方法进行了 阐述,对比分析了不同研究方法的特点,并对今后研 究方向进行了展望。

1 试验测试法

伴随各种检测技术的发展,熔池监测方法也逐 渐丰富起来。熔池流动特性的试验测试法可以分为 3类:第1类是利用光学系统和高速相机相结合的 方式来实现流场可视化研究,然后通过对记录到的 图像进行后期处理和分析,研究熔池流动特性;第2 类是对熔池内部进行高能 X 射线扫描获得熔池二 维或三维流动特性,这种方法一般都要在熔池中加 入示踪粒子来表征运动轨迹;第3类是通过使用物 理性质相似但更易于观察的其他材料来代替熔池金 属,进行熔池内部流动特性的模拟试验研究。

1.1 光学系统辅助高速相机观测法

光学系统辅助高速相机观测法常用来对熔池表 面的流动特性进行研究。ZHAO 等[20]以 316L 不 锈钢基板上的自然氧化层作为跟踪对象,利用高速 摄像机成像和粒子图像测速技术重建了表面流场, 对熔池表面流动特性进行了表征;用该技术将含有 示踪粒子的连续流图像交叉关联,计算了熔池二维 瞬时速度场及熔池表面最大流动速度和平均流动速 度与雷诺数。在对熔池表面流动行为的观测试验 中,明 亮 的 弧 辐 射 使 得 该 观 测 任 务 变 得 复 杂。 ZHANG 等[21]利用照明激光与电弧等离子体之间 的传播差异,将激光照射到熔池表面后形成镜面反 射,然后利用高速摄像机采集光谱并对其进行分析, 试验结果表明该方法在低功率照明激光照射下可以 获得清晰的熔池表面图像。随着焊接自动化的普 及,大量学者开始通过监测熔池表面形貌来控制成 形和熔化阶段焊道的几何特征。SMITH 等[22]提出 了一种基于实时视觉监测并控制熔池宽度的系统, 利用带有镜头系统和近红外带通滤波器的电荷耦合 器件(CCD)相机对熔池宽度进行监测,监测结果实 时反馈至工艺控制器,再通过调节工艺参数来控制 熔池宽度,以维持熔池宽度的一致性。上述几种方 法都是在熔池二维尺寸的基础上进行的研究,可以 直观展现出熔池形貌,但实际熔池表面并不是平面, 而是由表面张力引起的三维曲面,并因表面振荡而 随时发生变化。因此,二维测量仅限于熔池顶面接 近平面或可以假设为平面的条件,由于缺少三维信 息,在某些条件下会使熔池形貌出现较大误差。熔 池表面的三维测量已经成为当前科研人员的重点研 究方向[23-26],目前学者对熔池图像进行三维重构的 方法可分为双目立体视觉法、阴影恢复形状法、结构 光立体视觉法三大类。

双目立体视觉法是将不同观测方向上所采集的 熔池变化视频数据分帧,找到相同时间点上不同观 测方向的熔池形貌,以这些图像数据为基础,对熔池 三维形貌进行重建。肖心远等[27]设计了一种相交 光轴的双目视觉装置对熔池形貌进行监测。但双镜 头的双目视觉装置成本较高,需要两台相机及两组 滤光系统,很难保证两台相机精确的同步性,且因观 测区域太小,使得相机及滤光设备不好布置。为了解 决上述 问 题,有 学 者 提 出 了 单 相 机 双 镜 面 反 射 装 置[28]。ZHAO[29]采用了一个带有立体适配器的单台 高速摄像机对熔池表面液态金属进行三维尺寸测量, 该适配器包括两组平行镜像,可以从两个不同视点在 同一帧中捕获两个图像,再基于机器视觉数学模型, 精确获得熔池的三维表面轮廓及熔池流动速度。

结构光立体视觉法是基于数学假设模型的重 构,使照射在熔池表面液态金属的点状激光被反射 后在图像平面上生成点状矩阵,通过建立数学模型, 重构熔池三维形貌[21]。SONG 等[30]将结构激光点 矩阵投影到镜面熔池表面,并在成像平面上成像,然 后对反射图像进行捕获和处理,使用插值重建和外 推重建两 种 方 法 重 构 熔 池 三 维 表 面 形 貌,分 析 了 TIG 焊 接 过 程 中 熔 池 表 面 形 貌 的 变 化。SAEED 等[24]提出了一种基于激光镜面反射的熔池三维表 面的计 算 方 法,将 激 光 投 射 进 焊 接 熔 池 中,使 用CCD工业相机观察熔池表面反射出的激光,利用包 括光流和运动点跟踪在内的图像处理技术来跟踪这 些反射图形。建立以光学理论为基础的三维表面测 量数学模型,根据反射定律计算出表面斜率场,并通 过斜率场重构熔池表面的三维形貌。

阴影恢复形状法的基本原理是利用单张图像中 的灰度信息求解反射方程来恢复物体表面各点的相 对高度,进 而 还 原 物 体 表 面 的 几 何 形 貌。ZHAO 等[28]利用三维计算机视觉技术分析二维图像数据, 重建了熔池表面三维数据,其具体过程是先通过光 学传感器记录熔池图像,并用二维图像算法提取熔 池平面形状,然后采用阴影恢复形状法重构熔池图 像的表面高度,从而确定熔池的三维形状参数。李 来平等[31]用阴影恢复形状法研究了熔池表面的形 貌特征,通过复合滤光系统采集熔池表面图像,建立 熔池反射图数学模型并对其进行求解,计算得到熔 池表面高度,但因为反射和约束条件难以确定,利用 阴影恢复形状法得到的重构结果精度不足。

1.2 X射线透射及示踪剂轨迹分析法

光学系统辅助高速相机观测法更多用于描述熔 池二维及三维表面形貌特征,但不能直观地对熔池 内部运动状况进行描述,而 X 射线透射及示踪剂轨 迹分析可以直观地观察焊接过程中熔池内液态金属 的流动情况。WU 等[32]通过 X 射线透射法观察了 TIG 焊熔池流动特性,碳化钨颗粒作为速度测量的 示踪颗粒包含在试样中,钨极垂直固定在试样上方, 将试样置于 X射线与成像检测器之间,试验时 X 射 线束穿过试样,射向成像检测器,经过镜片折射后由 相机记录碳化钨颗粒运动轨迹。张瑞华等[33]通过 X射线实时焊缝数字观察系统和钨粒子示踪法测试 了活性化 TIG 焊接过程中304不锈钢熔池流动特 性,活性剂采用该课题组研制的氧化物活性剂;该课 题组还在示踪剂轨迹分析法的基础上,采用在熔池 底部放置钨制薄挡板的方法研究了涂敷氧化物活性 剂时熔池流动特性,利用钨粒子在熔池中的分布情 况分析熔池中流体流动的方向,结果表明,涂敷氧化 物活性 剂 可 使 熔 池 流 体 向 内 对 流,从 而 增 加 熔 深[34]。黄健康等[35]利用熔池镜面反射的性质研究 了 TIG 焊接过程中304不锈钢和 Q235碳钢熔池流 动特性,在试验过程中为了更加直观地反映熔池流 动情况,在焊道上均匀涂敷了示踪粒子,利用 CCD 工业相机进行实时记录,计算了示踪粒子在熔池中 的运动速度。安亚君等[36]以粉煤灰作为活性剂,铋 粒子作为示踪粒子,采用线扫描的方法确定了熔池 中铋粒子的分布,从而得到焊缝的表面形貌以及熔 池的截面形貌等。

1.3 物理模型模拟熔池流动的可视化研究

流体流动的可视化是研究流体流场的一种重要 方法,但由于熔融金属不透明,该方法仅限于焊接过 程中的熔池表面,而且即使在熔池表面,在电弧亮度 的影响下,流体的观测仍然很困难。虽然钨粒子示 踪剂可以较为直观地表现出熔池内部流动的运动规 律,但因为粒子数目较少且颗粒较大,只能粗略地表 示熔池运动状态,对熔池流动速度的计算误差较大; 若是示踪颗粒数目较多,又会导致粒子间产生团聚 效应,影响示踪粒子运动轨迹,导致试验数据出现误 差,所以有学者设计了合理的物理模型来模拟研究 熔池的流动特性。

KOU 等[37]设计了验证浮力和洛 伦磁力单独作用时熔池流动特性的试验,即采用一 个铜棒作为热源与低熔点的伍德合金相互接触,此 时伍德合金中的液态金属只受到浮力的作用,然后 将热源通入75A 的电流,电流从伍德合金向熔池表 面中心汇集,洛伦兹力向内向下,沿着熔池轴线向下 推动液体金属,从而观察到的熔池深度显著增加;与 浮力相比,洛伦兹力引起的熔池对流可以携带热量 从熔池中心传递向熔池底部,从而使熔深大大增加。 KOU 等[38]和 LIMMANEEVICHITR 等[39]首 次将 NaNO3 引入到熔池流动特性的研究中,以对 模型熔池内流体进行可视化观测,选择 NaNO3 作 为流动显示材料主要有以下原因:第一,NaNO3 熔 体是透明的,表面张力随温度变化明显,且熔点低; 第二,NaNO3 熔池的 Marangoni数与钢和铝熔池 的 Marangoni数接近,如果 Marangoni数值相 近, 则两种流体系统之间的 Marangoni对流具有相似 性;第三,NaNO3 的辐射传输范围为0.35~3μm, 对于激光辐射是相对不透明的。

2 数值模拟法

数值模拟法是建立求解区域模型,采用一组满 足整个求解域的偏微分方程组和合理边界条件,模 拟计算 TIG 焊过程中的各种物理现象[34,40-45]。随 着硬件计算能力的提升以及通用流体力学计算软件 的普及,数值模拟法已成为研究 TIG 焊热过程与熔 池流动特性的主要手段之一。

2.1 电弧熔池耦合的数值模拟

XU 等[46-47]对 TIG 焊中活性剂对焊缝成形的 影响进行了模拟,数学模型采用层流流动模型,将层 流换热与熔池内流体流动相耦合,结果表明活性剂 可以改变表面张力温度系数,从而改变流体流动的 模式,并且通过控制活性元素的种类和数量来获得 不同种类的焊缝形状。ZHANG 等[45]采用瞬态数 值模型模拟了 TIG 焊过程中熔池的传热和流体流 动,在模拟过程中考虑了电磁力、表面张力等熔池中 常见驱动力的影响,并采用了经典的焓-孔隙法对熔 池边界进行处理[48],结果表明焊缝熔合区和热影响 区的几何形状以及焊缝热循环与试验结果吻合较 好。UNNI等[49]用 FLUENT 软件对316LN 不锈钢 TIG焊熔池的流动特性进行了三维数值模拟,研究了 主要表面活性元素氧含量对焊缝几何形状的影响,结 果表明含氧量的增加可以改变表面张力温度系数的 正负,从而改变熔池的对流方向,且模拟结果与试验 结果吻合较好。

为了获取模拟结果,以上研究均将焊接电弧施 加在熔池表面的等离子流力、电流密度和热通量等 作出了假设,这些假设在一定程度上是合理的,但并 不具有普遍性。事实上,在焊接过程中,电弧和熔池 是一个整体,将电弧和熔池耦合可使模拟结果更加 精确。CHOO 等[41,50]建立了电弧熔池耦合的统一 模型,即电弧和熔池部分单独计算,以电弧和熔池界 面数 据 作 为 熔 池 边 界 条 件 求 解 熔 池 物 理 场。 GOODARZI等[51-52]也采用上述方法,在考虑表面 张力和湍流效应的前提下模拟了钨极尖端角度对熔 池流动的影响。不同于上述学者,TANAKA 等[53] 将钨极、电弧、工件、熔池4部分处理成一个完整统 一的数学模型,电弧和熔池同时计算,模型内部界面 为等离子体与阴极和熔池的界面,电弧与电极之间 的鞘层处理则基于热力学平衡。TRAIDIA 等[54]建 立了钨极、电弧和熔池耦合的 TIG 焊有限元模型, 考虑了磁场随时间变化而产生的涡流,模拟得到的 熔池流动特性与用红外摄像机得到的试验结果吻合 较好,但在焊接的最后阶段,试验结果和模拟结果之 间出现了较大的差异,这是因为此时熔池表面产生 的金属蒸气也会对焊接电弧的热-力分布产生显著 影响,这与金属原子较 氩、氦等保护气体原子具有 更低的激活能和更高的辐射系数有关。樊丁等[55]对 考虑金属蒸气的 TIG 焊进行了数值模拟,建立了电 弧与熔池耦合的三维数值模型,发现金属蒸气会改变 氩弧等离子体的物理特性,从而影响熔池流动特性。

在 TIG 焊过程中,不同物性参数的惰性气体对电弧的热导率、电导率、伏安特性和温度等特性有着 重要的影响[56],电弧特性的改变又会对熔池流动特 性产生直接影响。MOUGENOT 等[57-58]考虑了等 离子体与熔池的相互作用,建立了包含钨极、电弧、 熔池在内的三维物理耦合 TIG 焊模型,研究了所使 用的氩气和氦气的混合气体对等离子体热特性和熔 池流动特性的影响。TANAKA 等[59]通过模拟发 现,在氩气 等 离 子 体 中 加 入 氦 气、氢 气 和 氮 气 后, TIG 焊接的电弧温度、阳极热通量密度以及阳极温 度都有所上升。

为了控制熔池流动特性,许多学者通过对电弧 的直接调控来实现[60-63]。YIN 等[64]模拟了在外加 磁场的作用下,等离子电弧和熔池的流动特性,建立 了轴向磁场作用下 TIG 焊电弧和熔池的三维数值 模型。

2.2 考虑自由表面的熔池流动数值模拟

在熔池的数值模拟中,自由表面是一个重要的 边界条件,当焊接电流较小时,TIG 焊熔池的自由 表面变形较小,一般可认为是一个平面,但当焊接电 流较大时,熔池表面会表现出强烈的振荡,此时有限 元法和边界元法在模拟焊接过程中的局限性便会暴 露出来,即难以模拟焊接中遇到的高变形和自由表 面行为,从而给多相复杂系统中各种物理过程的耦 合带来困 难,这 时 基 于 平 面 假 设 的 模 拟 已 不 再 适 用[65-68]。为了解决这些问题,不少学者开始采用流 体体积法[65,69-71]以及平滑粒子流体动力学(SPH)等 方法跟踪自由表面,以获得互不相融的两相或多相 流体交界面。

流体体积法的基本原理是通过研究网格单元中 流体和网格体积比函数来确定自由面,以追踪流体 的变 化,而 非 追 踪 自 由 液 面 上 质 点 的 运 动。 HUANG 等[72]采用流体体积法建立了脉冲 TIG 焊 的三维瞬态数值模型,模拟了熔池的表面振荡,研究 了熔池振荡频率与熔深的关系,用于实现熔池熔深 控制。JIAN 等[73]研 究 了 等 离 子 弧 焊 熔 池 流 动 特 性,将电弧等离子、熔池和小孔耦合,建立了统一的 流体流动和传热模型,用流体体积法跟踪电弧与熔 池边界,研究了电弧等离子体与熔池之间的相互作 用及动态演化。PAN 等[74]将钨极、电弧等离子体、 母材、小孔和熔池都耦合在一个统一的模型中,采用 流体体积法追踪电弧等离子体与熔池之间的界面, 研究电弧和熔池之间的传热及熔池流动特性。

平滑粒 子 流 体 动 力 学 方 法 最 初 由 GINGOLD等[75]提出,是一种无网格拉格朗日技术,通过根据 纳维尔-斯托克斯方程运动的粒子来表达流体运动, 需要研究的模型被离散成代表特定物质体积的“粒 子”,即使是实心区域也可以用不移动的粒子来表 示。因此,平滑粒子流体动力学方法对界面变形大 的过程,如 TIG 焊熔池中液态金属的流动具有很好 的适应性[76]。SHIGETA 等[77]采用了平滑粒子流 体动力学方法模拟了 TIG 焊熔池流动行为,研究了 表面张力、浮力、电磁力和等离子流拉力对熔池流动 特性的单独影响,还介绍了硫含量对流动行为和焊 缝熔深的影响。ITO 等[78]用平滑粒子流体动力学 方法模拟了熔池的动态形成过程,在模拟过程中考 虑了阳极金属的熔化和凝固过程、熔池的自由表面 运动、Marangoni对流以及液体表面的气体阻力、浮 力和洛伦兹力。质点运动直接代表了包括表面变形 在内的流体运动,所以平滑粒子流体动力学方法在 处理自由表面方面具有鲁棒性。DAS等[79]使用平 滑粒子流体力学方法来模拟三维电弧焊接结构中的 传热和残余应力,分析了填充材料的流动模式、熔池 冷却过程产生的塑性应变以及在相应电弧配置下熔 池的温度分布。现有的平滑粒子流体动力学模型中 颗粒尺寸较大,且忽略了电弧压力、剪切应力等对熔 池表面变形的影响。TRAUTMANN 等[80]在考虑 剪切应力和电弧压力的前提下,介绍了一种基于平 滑粒子流体动力学方法的 TIG 焊三维熔池模型

3 量纲分析法

在对熔池流动、传热、传质的分析过程中,采用 试验测试法很难明确浮力、洛伦兹力、表面张力、等 离子流力以及热传导和热对流等参数在熔池流动行 为研究中的重要性。一些研究者采用量纲分析法来 研究熔池流动行为,该方法基于相似原理,通过传输 方程的对比,获得无量纲特征数。特征数通常可以 表征为影响传输过程物理因素的组合,通过特征数 变化可对影响熔池流动、传热和传质过程的物理因 素进行定性判断。熔池内流体流动的驱动力包括浮 力、洛伦兹力、熔池表面张力梯度引起的剪切应力、 电弧等离子体作用于熔池表面的剪切应力以及电弧 压力,这 些 驱 动 力 可 引 起 熔 池 中 流 体 复 杂 的 流 动[81-83]。特征数可用来定性描述这些驱动力的相 对重要性,其中格拉晓夫数、磁雷诺数、表面张力雷 诺数等可用来表征焊接熔池中的浮力、洛伦兹力、表面张力、等离子流力等驱动力对熔池流动的影响程 度。在此基础上,进一步结合不同驱动力对流动特 性的影响规律,预测熔合区和热影响区的大小和形 状,例如:如果电磁力是主导驱动力,则产生的熔池 深而窄;如果表面张力梯度力为负,则产生的熔池宽 而浅。OREPER等[43]给出了 TIG 焊过程中熔池瞬 态发展的数学表达式,考虑了轴对称系统以及浮力、 电磁力和表面张力作用,对无量纲形式的控制方程 进行适当的处理来估计一些特征数的数量级,并以 此评估物理过程影响因素的相对重要性。ZHANG 等[45]也通过该方法评估了焊接熔池演化过程中各 阶段导热和对流传热的重要性,以及各种驱动力对 熔池内对流的相对作用。王新鑫等[84]采用该方法 分析了熔池中浮力、洛伦兹力、表面张力和等离子流 拉力,验证了 TIG 焊电弧和熔池耦合数值模拟结果 中熔池所受到驱动力的相对大小,并分析了 TIG 焊 焊缝宽而浅的本质原因。

4 结束语

TIG 焊熔池流动特性的研究对提高焊接接头 质量和实现 TIG 焊接自动控制有着重要的意义。 流体流动影响熔池传质、传热,是影响熔池形状和元 素分布的重要因素。光学系统辅助高速相机法监测 熔池的二维及三维流动特性具有速度快、精度高,且 不会对目标熔池造成接触性损伤的特点,所以该方 法得到研究人员的广泛应用;但该方法不能描述熔 池内部关键信息,且高温辐射以及强烈弧光等会给 测量带来巨大阻碍。X射线透射及示踪轨迹分析法 可以获取熔池内部流动信息,不受强烈弧光影响,缺 点是很难进行实时监测,且熔池振荡及示踪粒子团 聚等因素会给观测结果带来误差。物理模型模拟熔 池流动可视化研究可以还原出熔池流动特性,但因 为替代材料和实际金属之间的属性差别导致还原精 度不足,只能分析熔池宏观流动特性。钨极-电弧- 熔池耦合的数值模拟方法是目前研究 TIG 焊熔池 流动特性的一个重要手段,在大电流以及等离子弧 焊的模拟中,可以考虑用流体体积法以及平滑粒子 流体动力学来追踪熔池自由表面;但在实际焊接过 程中,熔池中涉及传热、流动、光、声、电和磁等复杂 的物理现象。数值模拟的计算结果都是基于对控制 方程和边界条件在一定程度上的假设及简化,因此 仅用数值模拟的方法很难对其进行完整描述。量纲 分析法可以根据自身性质间接描述熔池中浮力、等离子流拉力、表面张力等驱动力的相对数量级,评估 熔池中热传导和热对流的相对重要性。综合来看, 试验测试方法和数值模拟方法相结合,可以对熔池 流动特性及其调控机理给出科学合理的理论解释, 且能够满足指导工艺优化的需要。

试验测试法研究熔池流动特性的主要缺点在于 获取熔池流动信息手段较单一,数据还原精度及稳 定性差,测量数据不能及时处理等。在未来研究中 可以搭建多传感器联合检测平台,对熔池流动特性 不同参数进行统一监控,并结合深度学习算法建立 实时熔池数据处理模型,研究熔池流动特性与焊缝 成形质量之间的映射关系。钨极-电弧-熔池耦合数 值模拟是未来研究熔池流动特性的重要方法,在研 究过程中应结合实际应用场景对模型作出合理假设 和优化,要综合考虑传热、液态金属流动、熔池自由 表面变形以及熔池金属蒸气等的影响。在未来的研 究中,应将试验测试法与数值模拟法相结合,取长补 短,减小试验误差,对熔池流动特性进行全方位多维 度的精确检测,这对焊缝质量的控制具有重大意义。

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