現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)要求對(duì)異種金屬材料進(jìn)行。焊接具有密度高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄以及變形小等特點(diǎn)，成為異種金屬材料焊接的有效方法。異種金屬過(guò)程包含多種效應(yīng)，機(jī)制復(fù)雜。比如，材料性能差異對(duì)焊縫微觀組織與宏觀性能的影響；焊接熔池的形成、演化機(jī)制；熔池凝固過(guò)程焊接缺陷及殘余應(yīng)力形成等。圍繞異種金屬激光焊接過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了諸多研究工作，對(duì)此進(jìn)行了全面闡述。在此基礎(chǔ)上，指出異種金屬材料激光焊接研究中的不足及發(fā)展方向。

1 異種金屬材料焊接

   異種金屬材料焊接是解決構(gòu)件同時(shí)滿足多方面性能要求的有效途徑。焊接方法有多種，比如氬弧焊(TIG)、電阻焊、摩擦焊、電子束焊以及激光焊等。與其他焊接方法相比，激光焊具有熱源密度集中、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、可控性好等特點(diǎn)，而且相對(duì)電子束焊，激光焊接氣壓要求低，通常不需要真空環(huán)境。異種金屬激光焊接始于20世紀(jì)70年代，目前成為航空航天、船舶制造、汽車制造諸領(lǐng)域重要的先進(jìn)制造技術(shù)之一。

   異種金屬激光焊接過(guò)程包含多種物理效應(yīng)。具體表現(xiàn)為：金屬材料對(duì)激光的吸收；激光材料相互作用引起的材料相變；能量與動(dòng)量的傳遞與轉(zhuǎn)換；光致等離子體對(duì)激光的散射與吸收；熔池形成及演化；匙孔(keyhole)效應(yīng)以及熔池凝固等。從復(fù)雜物理現(xiàn)象中提取科學(xué)問(wèn)題，并對(duì)這些科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究工作具有重大意義。

2 異種金屬激光焊接關(guān)鍵問(wèn)題

   異種材料激光焊接機(jī)制復(fù)雜。比如，焊接材料熱物性隨溫度變化差異；異種金屬對(duì)于激光的吸收率差異及其隨溫度變化特性；熔池形成及演化機(jī)制；凝固過(guò)程焊縫熔化區(qū)與熱影響區(qū)組織演化；激光焊接接頭缺陷的形成、焊接殘余應(yīng)力與變形產(chǎn)生等。但其關(guān)鍵問(wèn)題可歸結(jié)為材料性能差異對(duì)焊縫微觀組織與宏觀性能的影響；焊接熔池的形成、演化機(jī)制和熔池凝固過(guò)程焊接缺陷及殘余應(yīng)力形成。

2.1 材料性能差異對(duì)焊接接頭微觀組織與宏觀性能的影響

   異種金屬材料具有熱物性差異，這種差異是影響焊接過(guò)程的最主要因素。具體表現(xiàn)為：異種材料熔點(diǎn)不同，熔點(diǎn)低的材料達(dá)到熔化狀態(tài)時(shí)，熔點(diǎn)高的材料仍呈固體狀態(tài)，這時(shí)已經(jīng)熔化的材料容易滲入過(guò)熱區(qū)的晶界，造成低熔點(diǎn)材料的流失、合金元素?zé)龘p或蒸發(fā)，使焊縫的化學(xué)成分發(fā)生變化，力學(xué)性能難以控制，尤其是焊接異種有色金屬時(shí)更為顯著。異種材料線膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致熔池結(jié)晶時(shí)產(chǎn)整較大焊接應(yīng)力與焊接變形，由于焊縫兩側(cè)材料承受的應(yīng)力狀態(tài)不同，容易導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致焊縫金屬與母材的剝離。材料的熱導(dǎo)率和比熱容差異使焊縫金屬的結(jié)晶條件變壞，晶粒嚴(yán)重粗化，并影響難熔金屬的潤(rùn)濕性能。異種材料焊接時(shí)易產(chǎn)生金屬間化合搦，同時(shí)會(huì)發(fā)生組織變化，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能下降，尤其是熱影響區(qū)容易產(chǎn)生裂紋，甚至發(fā)生斷裂。向時(shí)，材料膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和比熱容等熱物性參數(shù)隨溫度變化而變化，導(dǎo)致異種材料激光焊接過(guò)程更加復(fù)雜。

激光焊接過(guò)程中激光束與材料吸收的相容性取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)溫度等，其中最重要的是吸收率。常溫下金屬對(duì)激光的吸收率一般比較小，而且同種金屬對(duì)于不同波長(zhǎng)激光吸收率也具有差異。另外，隨著溫度升高，當(dāng)達(dá)到熔點(diǎn)附近時(shí)，吸收率會(huì)出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。針對(duì)吸收率差異較大的金屬材料激光焊接，熔池容易出現(xiàn)偏熔現(xiàn)象，匙孔不穩(wěn)定，給焊接過(guò)程建模帶來(lái)困難。

2.2 異種金屬材料激光焊接熔池形成與演化機(jī)制

   異種金屬激光焊接熔池形成與演化過(guò)程具有多場(chǎng)（激光場(chǎng)、熔池流場(chǎng)、固體應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)等）、多尺度（時(shí)間尺度10-3～100s）：熔池形成-凝固過(guò)程，空間尺度（10-6～10-3m）：微結(jié)構(gòu)-熔池形貌）和多參數(shù)（激光功率、光強(qiáng)分布、移動(dòng)速度等）的特點(diǎn)。

熔池形成與演化是激光異種金屬焊接中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，它涉及材料對(duì)激光束的吸收、能量與動(dòng)量的輸運(yùn)與轉(zhuǎn)換、固-液-氣的快速相變及相界面移動(dòng)、熔池中熱-力場(chǎng)及梯度分布與演化規(guī)律、混合界面各相濃度分帶等。其中，較大梯度的溫度、壓力與濃度變化以及表面張力變化時(shí)熔池形成的狀態(tài)產(chǎn)生影響。熔池形成后，當(dāng)激光密度達(dá)到闊值，就會(huì)形成氣體蒸發(fā)和等離子體，伴隨很大的壓力與濃度梯度，產(chǎn)生匙孔效應(yīng)。對(duì)于異種材料激光焊接，由于熱物性參數(shù)的差異，熔池偏熔嚴(yán)重，匙孔不穩(wěn)定。提高焊接質(zhì)量的關(guān)鍵是對(duì)熔池形成過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確描述。

2.3 熔池凝固過(guò)程焊接缺陷及殘余應(yīng)力的形成

   激光異種金屬焊接存在多場(chǎng)藕合，焊縫熔化區(qū)凝固過(guò)程及熱影響區(qū)徽結(jié)構(gòu)演化復(fù)雜。在熔池凝固過(guò)程中，熔池的快速冷卻、凝固的不均勻傳熱過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很大熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力與相變應(yīng)力共同終用下會(huì)引起塑性變形、生成微缺陷、形成殘余應(yīng)力。其中接頭典型缺陷主要有熱裂紋、氣孔以及有害相等。在焊接過(guò)程中，由于低熔物的形成，擴(kuò)大了焊縫的結(jié)晶溫度范圍，在焊接熔池凝固后期，熔池中大部分金屬已凝固，在晶界的少部分低熔物還在液態(tài)狀態(tài)下，激光接應(yīng)力作用下，易成為裂紋萌生和開(kāi)裂的地方。激光焊接氣孔是由焊接過(guò)程中形成的匙孔不穩(wěn)定將保護(hù)氣體卷入焊接熔池，以及匙孔底部金屬蒸發(fā)間歇產(chǎn)生大量氣泡所導(dǎo)致。有害相的形成是由于焊接過(guò)程中的非平衡凝固導(dǎo)致焊接過(guò)程中元素的偏析所至。

3 異種金屬激光焊接研究進(jìn)展

3.1 異種金屬材料的激光焊接

3.1.1 異種鋼激光焊接

   目前國(guó)內(nèi)外異種鋼激光焊接主要集中在不銹鋼、低碳鋼。異種鋼熱物性差別主要是出于其金相組織的不同。印度先進(jìn)技術(shù)中心Kaul等采用鎢極氬弧焊和激光方法對(duì)奧氏體鋼與鐵素體鋼進(jìn)行焊接，將焊接結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)激光焊較鎢極氬弧焊可以得到更小的焊縫熔化區(qū)和熱影響區(qū)，從而獲得較好的微觀結(jié)構(gòu)。愛(ài)爾蘭都柏林(Dublin)城市大學(xué)Anawa等利用CO2激光器對(duì)不銹鋼AISI316與不銹鋼AISI1008進(jìn)行焊接，也得到了鐵素體和奧氏體鋼焊接能夠成功使用激光焊接的結(jié)論，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化焊接參數(shù)，得到了小的殘余應(yīng)力和熱影響區(qū)，并發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力與輸入能量有直接關(guān)系，具體體現(xiàn)在工藝參數(shù)中的焊接速度和激光功率。

3.1.2 鋁鋼激光焊接

   鋁/鋼熔點(diǎn)差異大，易形成金屬件化合物的異種材料，并且鋁/鋼合金具有高反射率和高熱傳導(dǎo)系數(shù)的特點(diǎn)，在焊接過(guò)程中難以形成匙孔，焊接時(shí)需要較高的能量密度。北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院左鐵鏹等對(duì)高強(qiáng)鋁合金的激光焊接性能進(jìn)行了深入探索，研究了填充合金粉末對(duì)鍋合金高功率CO2激光焊接功率閾值、焊縫成形和焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響。

   國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼鋁異種材料填充的激光焊接技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)應(yīng)用，如德國(guó)的“空中客車”飛機(jī)的機(jī)翼和隔板T型接頭的激光焊接。法國(guó)酷彩(Le Creusot)公司激光材料處理實(shí)驗(yàn)室的Mathieu等對(duì)鋁鋼材料進(jìn)行了Zn基釬料激光焊，指出釬焊可以限制脆硬相的生成。日本阿南(Anan)國(guó)立技術(shù)學(xué)院Nishimoto等運(yùn)用激光壓力焊對(duì)鋁合金A6061及低碳鋼SPCC進(jìn)行焊接。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)透過(guò)控制激光能量與材料的作用時(shí)間，可以減小界面反應(yīng)層的厚度，有效控制中間相的生成。

3.1.3 鎂鋁及鎂鋁合金焊接

   鋁及其合金具套良好的耐蝕性、較高的比強(qiáng)度、較好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)。鎂是比鋁還輕的一種有色金屬，也具有較高的比強(qiáng)度和比剛度及良好的抗震能力。鎂鋁焊接的主要問(wèn)題在于母材本身極易氧化，熱傳導(dǎo)系數(shù)大，易產(chǎn)生裂紋和氣孔等焊接缺陷，且極易產(chǎn)生金屬間化合物，從而顯著降低了焊接接頭的力學(xué)性能。

日本長(zhǎng)岡(Nagaoka)理工大學(xué)Borrisutthekul等通過(guò)有限元分析，提出用一個(gè)支撐塊作為散熱片，減小中間層厚度，提高焊接質(zhì)量。大連理工大學(xué)三束材料改性實(shí)驗(yàn)室劉黎明等采用激光-TIG復(fù)合焊對(duì)鎂鋁異種金屬進(jìn)行焊接，TIG-激光復(fù)合熱源利用激光增加TIG能量利用率，同時(shí)利用TIG增加激光的吸收率，適合于焊接激光低吸收率、高熱導(dǎo)率的金屬焊接，焊接接頭如圖3所示。可見(jiàn)焊接接頭沒(méi)有宏觀裂紋。研究結(jié)果表明復(fù)合焊由于其焊速高以及對(duì)熔池的快速攪拌作用，使鎂鋁形成的金屬間化合物由連續(xù)的層狀變?yōu)閺浬�狀，放而改善了異種金屬鎂鋁的焊接性。

3.1.4 銅與其他金屬及舍念焊接

   鋼焊接的主要困難在于高反射率。印度科技學(xué)院冶金系Phanikumar等用連續(xù)方圓激光YGA激光器或者通發(fā)CO2激光器對(duì)銅鎳異種材料進(jìn)行焊接，對(duì)焊縫/母材微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，指出異種金屬焊接熔池形狀是不對(duì)稱的，焊縫兩側(cè)有著完全不同的微觀組織；對(duì)焊接熔池形貌以及兩側(cè)不同微觀結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程進(jìn)行了深入研究。新加坡制造技術(shù)研究院Mai等采用無(wú)釬激光焊對(duì)鋼-鎳鈷合金、銅-鋼、銅-鋁進(jìn)行焊接，且認(rèn)為兩種材料的熔化比例是控制焊接結(jié)果無(wú)裂紋的關(guān)鍵因素。

3.1.5 高溫合金激光焊接

   高溫合金有鈦合金、鎳基合金等，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及柴油機(jī)渦輪增壓器等設(shè)備中。鈦及鈦合金由于其化學(xué)活性大、熔點(diǎn)高、熱容最小、熱導(dǎo)率小、冷冽傾向大、易產(chǎn)生氣孔等原因使得可焊性非常差。北京航空航天大學(xué)朱穎等針對(duì)采用Ti基快速凝固釬料對(duì)TiAl基合金和42CrMo鋼的真空釬焊進(jìn)行研究，通過(guò)掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)對(duì)接頭組織進(jìn)行了分析，確定了快速凝固釬精在界面層中的生成相。指出：在TiAl基合金和42CrMo鋼的真空釬焊試驗(yàn)中，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭強(qiáng)度略有提高，但變化不大；在970℃15min時(shí)生成了TiCu，TiC，TiNi和Fe4Cu3相；在970℃30min和970℃60min時(shí)，生成了TiCu，TiC，TiNi，TiAl和Fe4Cu3相。
   發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器渦輪葉盤(pán)材料鎳基沉淀高溫合金(K418)由于高的Al，Ti含量，焊接時(shí)熱裂紋敏感性強(qiáng)；渦輪軸材料42CrMo由于高的碳含量，焊接時(shí)熱淬性高，且焊縫區(qū)域和熱影響區(qū)易出現(xiàn)脆化。二者可焊接很差。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所激光熱工工藝力學(xué)實(shí)驗(yàn)室龐銘等針對(duì)這一問(wèn)題，提出了K418與42CrMo激光深熔焊方法。實(shí)驗(yàn)表明，K418與42CrMo激光穿透焊接有X形和T形兩種典型的焊縫形貌，且焊縫形貌是不對(duì)稱的。隨著焊接速度的提高，焊接線能量降低，焊縫尺寸變小，且焊縫上部尺寸變化比下部尺寸變化慢，焊縫形貌由X形過(guò)渡到T形。當(dāng)離焦量在瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)時(shí)，焊縫正面寬度變化很小；當(dāng)離焦量超出瑞利長(zhǎng)度范圍時(shí)，在足夠高的激光功率密度下，焊縫正面寬度快速增加。提出了K418與42CrMo異種金屬激光焊接焊縫底部局部未熔合機(jī)制，即“K418與42CrMo異種金屬熱物性參數(shù)的差異會(huì)導(dǎo)致激光深熔焊接的臨界功率密度范圍有差異；當(dāng)在匙孔底部的激光功率密度范圍介于K418與4ZCrMo臨界氣化功率密度范圍之間，匙孔會(huì)發(fā)生偏移；當(dāng)在匙孔底部的激光功率密度介于K418與42CrMo熱傳導(dǎo)焊接下臨界功率密度范圍之間時(shí)焊縫會(huì)發(fā)重偏移”。

3.2 激光焊接熔池演化機(jī)制

3.2.1 激光焊接熔池行為

   國(guó)內(nèi)外針對(duì)激光焊接的實(shí)驗(yàn)研究還是以同種材料為主。典型的是日本大阪(Osaka)大學(xué)Matsunawa等在熔池中放入直徑0.1～0.4mm鎢顆粒，通過(guò)X射線可清楚地觀察到匙孔作用下熔池的流動(dòng)狀態(tài)。鎢顆粒的運(yùn)動(dòng)基本上可以代表熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)規(guī)律。

3.2.2 熔池?zé)徇^(guò)程及流動(dòng)特性數(shù)值模擬

   采用實(shí)驗(yàn)方法難以確定焊接過(guò)程中的溫度分布、冷卻速度和熔池流動(dòng)的形態(tài)。數(shù)值模擬是分析激光焊接過(guò)程中溫度分布和流動(dòng)狀態(tài)的有效途徑。
   自從1973年Swift-Hook等開(kāi)始對(duì)激光焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行研究以來(lái)，激光焊接數(shù)值模擬經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷史。各國(guó)研究者們?cè)谕�種材料激光焊接熱源模型、匙孔模型、溫度場(chǎng)以及熔池流動(dòng)等方面做了很多研究工作。美國(guó)密西根州立大學(xué)Mazumder用有限差分法計(jì)算三維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)激光傳熱模型較具代表性。埃塞克斯(Essex)大學(xué)Dowden等系統(tǒng)地研究了激光深熔焊接過(guò)程小孔周圍的流動(dòng)，首次分析了小孔內(nèi)等離子體逆韌致輻射的效果；使用點(diǎn)線組合熱源模擬了深熔焊接時(shí)的接頭形貌，解釋了深熔焊縫截面呈“釘頭”狀的原因。澳大利亞維恩(Wien)技術(shù)大學(xué)高能束技術(shù)系Kaplan建立了以小孔不對(duì)稱為基礎(chǔ)的激光深熔焊接數(shù)學(xué)模型，通過(guò)逐點(diǎn)計(jì)算小孔前后壁的能量平衡而獲得小孔形狀沿板件厚度方向的變化規(guī)律。瑞典呂勒奧(Lulea)理工大學(xué)Lampa對(duì)Kaplan這一模型又進(jìn)行了改進(jìn)，研究了小孔內(nèi)的表面張力梯度，提出了小孔的熱毛細(xì)模型。
   隨著異種金屬激光焊接的工程需求，異種材料激光焊接數(shù)值模擬逐步發(fā)展起來(lái)，比較典型的是英國(guó)利物浦(Liverpool)大學(xué)工程學(xué)系Chakraborty等研究了銅鎳異種金屬激光焊接熔池中的湍流行為。研究發(fā)現(xiàn)采用湍流模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)更為吻合。對(duì)K418與42CrMo異種金屬激光熱傳導(dǎo)焊接模擬表明，隨激光焊接速度的增加和激光功率的降低，焊縫正面熔池逐漸由橢圓形過(guò)渡到淚滴形，再演變到月牙形，焊縫形貌的不對(duì)稱性增加。焊縫熔池的這種變化規(guī)律是由于K418與42CrMo熱物性的差異導(dǎo)致激光熱傳導(dǎo)焊接的臨界功率密度的差異。

3.3 熔池凝固過(guò)程中焊接缺陷及殘余應(yīng)力形成機(jī)制

   針對(duì)K418與42CrMo異種金屬激光深熔焊接接頭組織，在掃描電鏡下，在焊縫區(qū)域觀察了結(jié)晶裂紋。對(duì)焊縫枝晶核1和裂紋處區(qū)域2能譜分析表明裂紋處Mo，Al，Nb，Ti元素聚集，這些元素的聚集易在焊縫中形成Laves，γ+γ＇共晶及其他的底熔物。由于底熔物的形成，擴(kuò)大了焊縫的結(jié)晶溫度范圍，在焊接熔池凝固后期，熔池中大部分金屬已凝固，晶界的少部分低熔物還在液態(tài)狀態(tài)下，在焊接應(yīng)力作用下，易成為裂紋萌生和開(kāi)裂的地方。另外，觀察到焊縫根部氣孔，并且焊縫靠近42CrMo側(cè)焊縫的氣孔比靠近K418側(cè)氣孔密集。這是因?yàn)?SPAN lang=EN-US>42CrMo導(dǎo)熱系數(shù)比K418高，熔池在靠近42CrMo鍘凝固速度比K418側(cè)高，導(dǎo)致靠近42CrMo熔池中的氣孔逸出時(shí)間比靠近K418側(cè)短。研究發(fā)現(xiàn)氣孔率隨焊接速度的變化而波動(dòng)，氣孔數(shù)隨焊接速度的增加而減少；氣孔率和氣孔數(shù)隨離焦量的改變而發(fā)生波動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)表明K418與42CrMo異種金屬激光焊接焊縫區(qū)域的組織主要是枝晶組織，并且首次發(fā)現(xiàn)在焊縫區(qū)域彌散分布著針狀的MC碳化物和顆粒狀的Laves相。Laves相是一種密排六方相，其特點(diǎn)是硬而脆，且熔點(diǎn)低。Laves相的形成擴(kuò)大了焊縫區(qū)域凝固溫度范圍，提高了焊縫區(qū)域的熱裂紋敏感性。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)提高焊接速度可以抑制Laves相的形成。 Anawa等利用CO2激光器對(duì)不銹鋼AISI316與不銹鋼AISI1009進(jìn)行焊接，并使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法，分析采用不同工藝參數(shù)情況下焊接街頭中殘余應(yīng)力的大小，得到優(yōu)化的焊接參數(shù)從而達(dá)到控制殘余應(yīng)力的目的。

4 結(jié)論

   激光焊接異種金屬材料從異種鋼擴(kuò)展到了有色金屬及其合金，特別是鋒對(duì)鎂鋁合金、鈦鋁合金以及鎳基高溫合金的激光焊接已取得進(jìn)展，獲得了具有一定熔深與強(qiáng)度的焊接接頭。異種金屬激光焊接熔池的形成與演化過(guò)程復(fù)雜。對(duì)焊接熱源模型、匙孔模型、溫度場(chǎng)以及熔池流動(dòng)等問(wèn)題從數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行了深入研究，特別是考慮熱傳導(dǎo)焊熔池流動(dòng)中的湍流問(wèn)題，繪出了鎳基高溫合金與合金鋼焊接匙孔發(fā)生偏移的條件。熔池凝固過(guò)程中接頭組織演變、燼縫缺陷以及殘余應(yīng)力形成機(jī)制方面，深入分析了凝固過(guò)程中熱裂紋、有害相、氣孔的產(chǎn)生機(jī)制，并從工藝角度對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行控制。
   目前，異種金屬激光焊接熔池行為，特別是等離子體與匙孔效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究比較缺乏；熔池形成、凝固過(guò)程力學(xué)精確建模仍存在困難。另外，需要對(duì)激光釬焊，TIG-激光復(fù)合焊等焊接機(jī)制進(jìn)行深入研究，以期解決異種金屬性能差異帶來(lái)的可焊性問(wèn)題。

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