龐林花 文桂林
(1.湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院∥汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410082;2.科學(xué)技術(shù)部火炬高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)中心,北京 100045)
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,汽車工業(yè)逐漸成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一.汽車是大系統(tǒng)型復(fù)雜產(chǎn)品,由上萬個結(jié)構(gòu)、材料、功能不盡相同的零部件組成,各零部件的等壽命設(shè)計難以實現(xiàn),因此在廢舊汽車中存在著大量可以再利用的零部件[1].汽車零部件的再利用可以節(jié)約大量資源,具有顯著的經(jīng)濟效益.發(fā)達國家報廢回收汽車零部件的回收再利用率已達到80%以上.據(jù)不完全統(tǒng)計,大眾汽車集團所生產(chǎn)的汽車中,90%以上的零部件都是經(jīng)過再制造而重新利用的[2].但在我國,因當(dāng)前的檢測技術(shù)難以保障再利用零部件的質(zhì)量可靠性和檢查效率,報廢回收汽車零部件再利用的價值達不到利潤可追求的目標(biāo)[3].
若要提高報廢回收汽車零部件的再利用率,將報廢回收汽車合格零部件納入國家汽車產(chǎn)品市場準(zhǔn)入許可管理體系、實現(xiàn)嚴(yán)格的規(guī)范化管理、采用先進的檢測與再制造技術(shù)是關(guān)鍵.無損檢測技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的技術(shù)手段,是質(zhì)量控制的一個重要途徑,廣泛應(yīng)用于研發(fā)、生產(chǎn)、維修等各個階段,更是報廢回收汽車零部件再利用的核心檢測技術(shù),其水平是衡量一個國家工業(yè)發(fā)達程度的重要標(biāo)志[4].而且,在報廢回收汽車零部件再利用產(chǎn)業(yè)中,由于其利潤只是來自單個零部件的再利用,降低檢測成本和提高檢測效率的要求更高,因此更需要研究和發(fā)展新的檢測技術(shù)與方法[5].
無損檢測技術(shù)是在不破壞受檢對象的前提下,采用X 射線、超聲波、電磁、紅外或激光等手段來測定、評價零部件內(nèi)部或表層的物理與機械性能、各類缺陷和其他技術(shù)參數(shù)的綜合性檢測,據(jù)此判斷被檢產(chǎn)品質(zhì)量合格與否.無損檢測技術(shù)在汽車行業(yè)應(yīng)用的早期,主要是對發(fā)動機曲軸、連桿、凸輪軸、缸體、活塞、前后橋、輪轂、剎車盤、卡鉗、汽車轉(zhuǎn)向節(jié)等關(guān)鍵零部件的焊縫、表面缺陷和內(nèi)部缺陷進行探傷檢測,檢查工件表面和內(nèi)部有無氣孔、裂紋、夾雜和折疊等缺陷[6].早在1978年,Kisin[7]就重點論述了無損檢測技術(shù)在熱處理汽車部件中的應(yīng)用;1996年,Novikov[8]介紹了在Volzhskii 汽車廠利用無損檢測技術(shù)對汽車零部件質(zhì)量進行檢測的應(yīng)用實踐.目前,無損探測技術(shù)逐漸成熟,已經(jīng)不再局限于這種宏觀缺陷檢測,而是發(fā)展為對材料和構(gòu)件微觀缺陷和疲勞裂紋的探測.
文中以報廢回收汽車零部件再利用的無損檢測技術(shù)為切入點,梳理了5 種常用的汽車零部件無損檢測技術(shù)及其特點,介紹了幾種比較先進的無損檢測新技術(shù),并分析了無損檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,以期為報廢回收汽車零部件再利用無損檢測技術(shù)的深入研究提供借鑒.
常用的報廢回收汽車零部件無損檢測技術(shù)有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、電磁渦流檢測和滲透檢測,它們在報廢回收汽車零部件再利用產(chǎn)業(yè)中依然是重要的結(jié)構(gòu)與材料特性無損檢測技術(shù),其本身也有分類適用性要求.
傳統(tǒng)的射線檢測是指利用射線(X 射線、γ 射線、中子射線等)穿過物質(zhì)時的強度衰減,檢測材料或工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不連續(xù)性的技術(shù).穿過材料或工件的射線由于強度不同,在射線膠片上的感光程度也不同,由此生成內(nèi)部不連續(xù)的圖像[9].經(jīng)過100 多年的發(fā)展,如今,射線檢測已經(jīng)由單純膠片射線照相檢測發(fā)展為射線實時成像檢測和射線層析檢測等多種技術(shù)的無損檢測.近年來,隨著信息傳感、人工智能等學(xué)科的發(fā)展,新的射線檢測技術(shù)層出不窮,如高能X 射線、射線實時成像以及工業(yè)射線CT等.目前射線檢測已成功地應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、石油礦山、機械工程等領(lǐng)域,并不斷在其他新的領(lǐng)域中應(yīng)用[10].未來,射線無損檢測主要朝著數(shù)字X 射線實時檢測系統(tǒng)、小型低成本CT 系統(tǒng)、小型高靈敏度X 射線成像檢測系統(tǒng)等方向發(fā)展[9].
對于報廢回收汽車零部件的射線檢測,主要是利用電磁波的直線穿透性對鑄件和焊接件的內(nèi)部缺陷進行無損檢測,包括曲軸、凸輪軸、橋殼、輪轂、缸蓋、變速箱殼體、凸輪軸瓦蓋、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)支架、齒輪與各類焊接零部件.射線檢測具有對零部件的體積型缺陷很敏感的優(yōu)點,適合對氣孔、夾渣、未焊透等體積型缺陷的探傷;其不足之處在于對零部件裂紋不敏感,不適用于面積型缺陷的探傷[11].
超聲檢測是根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度和傳播時間判別缺陷的位置,再根據(jù)反射能量大小查知各缺陷當(dāng)量大小的一種檢測手段.超聲無損檢測技術(shù)在近幾十年中得到了較大的進展,已成為最常用的材料和結(jié)構(gòu)無損檢測手段.從1930年開始,人們開始使用超聲波技術(shù)研究物體內(nèi)部結(jié)構(gòu);1950年后,超聲檢測進入工業(yè)檢測領(lǐng)域;在隨后的60 多年間,人們不斷地研制高靈敏度和高分辨率的超聲波儀器,使得超聲檢測的應(yīng)用范圍進一步擴大[12].
超聲檢測技術(shù)可以用于檢測材料內(nèi)部的缺陷,或檢測內(nèi)部焊縫、連接處的強度及穩(wěn)定性[13].在汽車領(lǐng)域,可以檢測球鐵鑄件的曲軸、半軸、汽車傳動軸[14]、40Cr 鋼進排氣閥、鑄造件[15]、變速箱焊接齒輪[16]等.超聲檢測的優(yōu)點如下:具有比較強的穿透能力,能進行較大范圍和較大厚度零部件內(nèi)部的檢測;能夠?qū)θ毕菸恢脺?zhǔn)確定位;對面積型缺陷的檢測準(zhǔn)確率高[17];檢測成本低、速度快、設(shè)備簡單、靈敏度高.當(dāng)然,該技術(shù)也存在不足之處——傳統(tǒng)的超聲檢測需要使用耦合劑或者采用水浸法,在有些場合不適用.另外,超聲檢測還存在不能有效檢測近場盲區(qū)以內(nèi)缺陷、對微小裂紋的檢測效果較差等缺點.近年來,數(shù)字超探機和相控陣列的推廣、TOFD(超聲波衍射時差)法和相控陣列法的運用,使得超聲裂紋檢測技術(shù)有了較大的進展[18].
磁粉檢測是利用磁現(xiàn)象來檢測材料或工件缺陷的一種方法,可以探測露在表面的微小裂紋等缺陷,或者未露出表面但只是埋藏在表面下幾毫米的近表面缺陷.磁粉檢測有多種分類方法——按照噴灑磁粉的過程可以分為連續(xù)法和剩磁法;按照磁粉種類可分為熒光磁粉法和非熒光磁粉法,非熒光磁粉主要由鐵粉制成,熒光磁粉則是在鐵粉外面粘附一層熒光染料,由于其操作簡單、設(shè)備要求不高,實際應(yīng)用中一般采用非熒光磁粉檢測[19].按照磁粉的分散介質(zhì)可將磁粉檢測分為干式法和濕式法,其中磁粉懸浮在油、水或其他液體介質(zhì)中使用的稱為濕式法,該方法通過將磁懸液涂在工件表面,利用載液的流動和漏磁場對磁粉的吸引顯示缺陷的形狀和大小[20].此外,還有按照磁化方法、磁化電流的種類等進行的分類[21].
磁粉檢測的優(yōu)點在于:磁粉直接附著在缺陷位置形成磁痕,能直觀地顯示出缺陷的形狀、位置、大小和嚴(yán)重程度;不受工件大小和幾何形狀的限制,適應(yīng)性好;檢測效率高、成本低.不足之處在于:只適用于檢測鐵磁性材料,如碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等;只能檢測工件表面及近表面缺陷,不能檢測較深的內(nèi)部缺陷;難以對缺陷深度進行測量等.磁粉檢測可應(yīng)用于汽車引擎配件[22]、輪轂軸管[23]等部位的檢測,也可應(yīng)用于發(fā)動機一些零部件的相關(guān)檢測.
滲透檢測受被檢測材料表面污染狀態(tài)的影響,多用于輔助檢測塑料燃油箱[24]、汽車制動主缸等部件,一般在汽車維修、零部件性能試驗中使用.該方法將含有染料的滲透液涂敷在被檢工件表面,利用毛細作用使其滲入表面開口缺陷中,去除表面多余滲透液,干燥后施加顯像劑,將缺陷中的滲透液吸附到工件表面上來,通過觀察缺陷顯示痕跡進行工件表面開口缺陷的質(zhì)量評定[25].滲透檢測所需設(shè)備簡單、成本低,不受工件形狀和尺寸的限制,滲透探傷結(jié)果直觀可見,且能檢測出多種缺陷[26].目前,國外發(fā)達國家已開始采用氣體滲透方法對燃油箱進行檢測,相比于傳統(tǒng)方法,氣體滲透方法因其各方面的優(yōu)越性能代表了滲透檢測發(fā)展的方向[27].
電磁渦流檢測技術(shù)與材料的導(dǎo)電性相關(guān),但與材料的鐵磁性無關(guān),一般用于檢測經(jīng)過熱處理的轉(zhuǎn)向節(jié)的軸孔、輪轂軸的軸孔、耐熱鋼與其他鋼通過摩擦焊接形成的氣閥、球頭銷以及套管形式的挺桿等[28].目前應(yīng)用比較多的是深層渦流技術(shù)、多頻渦流技術(shù)、脈沖渦流技術(shù)及遠場渦流技術(shù).與滲透檢測相比,電磁渦流檢測時不需要對零部件進行清洗;與磁粉檢測相比,它對磁性和非磁性材料都有效;與超聲檢測相比,它不需要使用機械耦合劑,且探頭比較簡單和易于制造;與射線檢測相比,它能較快地獲得結(jié)果.但電磁渦流檢測也有它的局限性——在零部件表面以下的探測深度受到頻率、耦合因子等因素的限制,零部件材料不同時,渦流也相應(yīng)地會有所不同,這常常會產(chǎn)生模棱兩可的結(jié)果,特別是對開口很小的裂紋不太敏感;零部件表面的光潔度、平整度、邊界等對檢測結(jié)果都有較大影響.
總之,無損檢測主要分為缺陷檢測和性能檢測兩大類,有的側(cè)重零部件的功能檢測,有的側(cè)重疲勞裂紋和微觀損傷檢測[29].例如,在追尾事故中報廢的前面一輛車,若是新車,并肯定發(fā)動機區(qū)域沒有受損,發(fā)動機整機可以回收再利用,對其主要進行發(fā)動機整機功能檢測試驗,不一定需要拆開成單個發(fā)動機零部件進行檢測.而對于根據(jù)法定報廢期報廢的車輛的零部件,即使是一顆螺絲,也需要開展單個零部件表面缺陷和內(nèi)部缺陷的探傷檢測.對于諸如汽車空調(diào)系統(tǒng)之類的裝備,檢測重點不是結(jié)構(gòu)與材料特性,而是功能,而且檢測裝備與評價方法也與結(jié)構(gòu)件的不一樣[30].
隨著科技的發(fā)展,除了上述常用的五大無損檢測技術(shù)在不斷發(fā)展外,新的無損檢測技術(shù)也不斷涌現(xiàn),如聲發(fā)射、微波、紅外、全息照相、超聲相控陣、原子標(biāo)度應(yīng)力測試、電子衍射、無反沖核的共振散射和吸收、激光誘發(fā)激波脈沖、中和正電子湮沒技術(shù)等[31].這些無損檢測新技術(shù)具有顯示直觀、檢測速度快、檢測效率高、可以實現(xiàn)非接觸及遠距離檢測等優(yōu)點,克服了常規(guī)無損檢測技術(shù)的局限性.下面介紹幾種應(yīng)用比較廣泛的無損檢測新技術(shù).
超聲檢測是常用的無損檢測技術(shù)之一,但使用時耦合劑和換能器需接近被檢材料,有一定的應(yīng)用局限性.傳統(tǒng)的人工超聲檢測方法正在逐漸被自動超聲探傷系統(tǒng)取代.經(jīng)濟實用、功能強大的微電子、電腦器件的高速發(fā)展也推動了各國在超聲相控陣系統(tǒng)中的投入.超聲相控陣檢測技術(shù)因其獨特的優(yōu)點已引起國際無損檢測領(lǐng)域的高度重視[32],成為近年來超聲檢測中一個新的技術(shù)熱點[33].
超聲相控陣技術(shù)使用不同形狀的多陣元換能器來產(chǎn)生和接收超聲波波束,通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射(或接收)脈沖的時間延遲來改變聲波到達(或來自)物體內(nèi)某點時的相位關(guān)系,實現(xiàn)聚焦點和聲束方向的變化,然后采用機械掃描和電子掃描相結(jié)合的方法來實現(xiàn)圖像成像[34].超聲相控陣技術(shù)具有采用電子方法控制聲束、不移動或少移動探頭便可快速檢測、檢測精度和檢測效率高的優(yōu)點;而且該技術(shù)采用B 型掃描顯示,缺陷顯示更加直接.目前,超聲相控陣技術(shù)除了被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域外,核工業(yè)、航空工業(yè)、鍋爐壓力容器等質(zhì)量要求高的行業(yè)也開始引入該技術(shù)進行缺陷檢測,對采用傳統(tǒng)超聲檢測效果不太理想的奧氏體焊縫和復(fù)合材料,人們也在嘗試采用超聲相控陣檢測[35].對于報廢回收汽車零部件,超聲相控陣技術(shù)可應(yīng)用于車輪輪輞探傷[35]、車身材料焊縫等相關(guān)檢測.
紅外熱像無損檢測是一種結(jié)合了信號探測與處理、信號激勵以及紅外成像等多種技術(shù)的無損檢測技術(shù).它根據(jù)被檢物的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及缺陷類型設(shè)計不同的熱源,用計算機控制進行加熱,采用時序熱波信號進行數(shù)據(jù)采集,再用專用軟件進行實時圖像信號處理并顯示結(jié)果[36].紅外熱像技術(shù)適合場外、在線的在役檢測,具有快速、直觀、非接觸等優(yōu)點.該技術(shù)是檢測金屬構(gòu)件損傷的有效方法[37-38].其檢測原理如圖1 所示.
圖1 紅外熱像無損檢測原理Fig.1 Principle of nondestructive testing by using infrared thermography
對于汽車來說,紅外熱像無損檢測主要用于復(fù)合及金屬材料零件的檢測.利用該技術(shù),人們可以根據(jù)發(fā)動機自身的工作生熱,利用熱像儀獲取發(fā)動機缸蓋表面溫度分布,判斷油路不暢的發(fā)生位置[39].該技術(shù)還可用來檢測汽車上各種板類的裂紋等.
激光全息照相無損檢測是在全息照相技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種檢測技術(shù),它利用激光全息干涉來檢測、計量物體表面和內(nèi)部的缺陷.其原理是:在物體不受損的情況下,向物體施加載荷,物體在外界載荷作用下產(chǎn)生變形,而物體內(nèi)部缺陷所對應(yīng)的物體表面在外力作用下產(chǎn)生與周圍不相同的微差位移,且不同外界載荷下的物體表面變形程度不同,采用激光全息照相的方法來觀察和比較這種變形,便可判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷[40].該種無損檢測技術(shù)的靈敏度高,可檢測極小變形,亦可檢測大尺寸物體,對檢測對象沒有特殊要求,能對損傷和缺陷進行定量分析.
在報廢回收汽車零部件中,運用到激光全息照相無損檢測技術(shù)的主要是輪胎胎體檢測,以及車身外板、車門、車架、保險杠、座椅框架等蜂窩鋁結(jié)構(gòu)的無損檢測等.在輪胎的激光全息檢測技術(shù)中,全息圖中既包含了相全息圖,也包含了散斑剪切圖,檢測龜裂、變硬等老化癥狀的精度高,不容易造成漏判,但存在廢舊輪胎回收價值與檢測成本的沖突問題[41].檢測過程如下:通過真空加載使形變前后的輪胎進行兩次曝光,將輪胎加載前后的相位和光強記錄在全息干板上形成全息干涉圖;全息干板經(jīng)過顯影、定影、水洗、風(fēng)干后進行光學(xué)再現(xiàn),可觀察到輪胎形變前后的干涉條紋;如果在輪胎再現(xiàn)圖像上出現(xiàn)長而粗大且排布均勻的干涉條紋,說明輪胎內(nèi)部無缺陷,可以繼續(xù)使用;如果在正常干涉條紋中出現(xiàn)心環(huán)條紋、條紋拐彎或疏密變化等情況,則說明輪胎內(nèi)部存在缺陷[42].
雖然這些無損檢測新技術(shù)存在價格昂貴、設(shè)備性能要求較高等缺點,但是隨著科學(xué)技術(shù)的進步,未來檢測設(shè)備的性能會得到提高,價格也會逐漸降低,相信這些無損檢測新技術(shù)會得到越來越廣泛的應(yīng)用.
如今,報廢汽車零部件回收再利用的無損檢測技術(shù)主要朝4 個方向發(fā)展:①發(fā)展更加自動化、智能化的傳統(tǒng)檢測方法;②設(shè)計更加合理的檢測評價體系;③交叉使用多種檢測手段;④發(fā)展無損檢測新技術(shù).
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)將向靈敏度和自動化程度更高的方向發(fā)展.以射線檢測為例,傳統(tǒng)的射線檢測需要耗費大量的膠片和藥液,且工作程序復(fù)雜,探傷的時間比較長,評定質(zhì)量比較低.未來射線無損檢測的發(fā)展趨勢是利用數(shù)字成像的掃描系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠片處理來實施檢測.射線實時成像、工業(yè)CT 等新的射線檢測技術(shù)以其在缺陷定位、定量評價方面的優(yōu)勢,將在報廢汽車零部件回收再利用的無損檢測領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用.國外已開始以高分辨率CT 為工具,以三維重構(gòu)為手段,結(jié)合圖像處理、數(shù)學(xué)分析、計算機模擬仿真等技術(shù),進行材料疲勞微裂紋擴展等方面的研究[43].
發(fā)展更有針對性的、更先進的檢測方法、技術(shù)與流程,提出更合理的檢測評價體系,也是報廢汽車零部件回收再利用無損檢測技術(shù)的發(fā)展方向之一.傳統(tǒng)檢測技術(shù)在實際操作中,需要設(shè)計合理的檢測方案,甚至需要輔以現(xiàn)代的先進分析手段,才能達到報廢回收汽車零部件再利用的要求.例如,磁粉檢測的關(guān)鍵在于如何正確選擇磁化方法,在被檢工件上建立合理的磁場.以連桿檢測為例,需要根據(jù)工件的幾何特征,采用交叉磁化來分步檢測——通過在夾持工件兩端直接通電磁化來檢測沿工件軸向的缺陷;通過將工件放在線圈內(nèi)進行縱向磁化來檢測工件的橫向缺陷;通過在連桿孔內(nèi)放置芯棒進行磁化,使孔內(nèi)表面產(chǎn)生周向磁場,從而檢驗孔內(nèi)缺陷.
此外,交叉使用多種檢測手段也可以獲得更好的檢測效果.例如,傳統(tǒng)的超聲檢測方法在檢測過程中必須要求工件表面光潔,并且要利用耦合劑使聲波能夠?qū)氲焦ぜ?nèi)部.隨著電磁超聲技術(shù)和激光超聲技術(shù)的蓬勃發(fā)展,可以通過電磁或激光使材料內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生超聲波,不再需要耦合劑,該優(yōu)點在實際檢測中非常重要.圖2 給出的是筆者所在課題組研制的激光非接觸式凸輪軸內(nèi)部探傷系統(tǒng).
圖2 基于優(yōu)化反演的激光非接觸式內(nèi)部探傷系統(tǒng)Fig.2 Non-contact internal flaw detection system based on laser optimization inversion
圖2 所示系統(tǒng)輔以現(xiàn)代先進分析手段,通過高精度測量凸輪軸在激振后的動態(tài)響應(yīng),應(yīng)用微型遺傳算法,根據(jù)所測響應(yīng)反演工件內(nèi)部缺陷或材料損傷,實現(xiàn)檢測與評價一體化.這一系統(tǒng)已初具智能化、信息化無損檢測系統(tǒng)雛形.由于零部件回收再利用檢測中不適宜采用抽檢或疲勞極限破壞性試驗,所以,發(fā)展基于參數(shù)反求的測試與評價一體化方法,反演疲勞可靠性或剩余壽命,將是非常重要的技術(shù)方向.
目前,新的無損檢測技術(shù)不斷涌現(xiàn),已有近50種方法被列為無損檢測的范疇,其中聲發(fā)射、微波、紅外、全息照相、光彈顯示等被稱為新五大檢測方法.無損檢測新技術(shù)的出現(xiàn),使得快速、高效、自動化檢測成為可能.另一方面,新技術(shù)的發(fā)展也使得缺陷能夠可視化,從而便于實現(xiàn)對缺陷信息自動、有效的提取和識別.
報廢回收汽車零部件的再利用既是資源節(jié)約型社會發(fā)展的需要,也是廢舊汽車回收拆解行業(yè)發(fā)展的必然趨勢.汽車回收零部件的無損檢測技術(shù)是建立回收零部件再利用中“零缺陷”質(zhì)量保證體系的重要支撐技術(shù).無損檢測技術(shù)及其裝備的水平?jīng)Q定了報廢回收汽車零部件的再利用率.隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,無損檢測技術(shù)在報廢回收汽車零部件再利用產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也將會向智能化、自動化、可視化方向發(fā)展.
無損檢測新技術(shù)的不斷出現(xiàn)、常規(guī)技術(shù)的不斷發(fā)展、合理評價體系的不斷完善等將會促使無損檢測技術(shù)更加合理地應(yīng)用到汽車零部件的無損檢測中去,大大提高汽車零部件的回收率.建立完善的質(zhì)量管理體系,開發(fā)滿足高精度、高效率、低能耗、低成本要求的新檢測技術(shù)和裝備,將現(xiàn)代機器人技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)和CAD/CAM 等技術(shù)與無損檢測技術(shù)有機結(jié)合,努力增強汽車拆解企業(yè)的生存能力和競爭力,是推動報廢回收汽車零部件再利用產(chǎn)業(yè)持續(xù)、健康發(fā)展的重要任務(wù).
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