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JWJ > Volume 39(5); 2021 > Article
알루미늄 제진판재와 1.5 GPa HPF 강재 이종소재 기계적 체결 특성 평가

Abstract

In this study, the mechanical properties of aluminum vibration damping sheet and 1.5 GPa HPF steel sheet (SABC1470) dissimilar joining were evaluated. Joint methods of self piercing rivet (SPR), bolt/nut, flow drill screw (FDS), and blind rivet were compared to evaluate joint characteristic. In SPR Joining, buckling failure was occurred in SPR rivet caused by the strength of the 1.5 GPa HPF steel. So that, SPR hybrid joining was selected with a Al5052 alloy additional plate in lower sheet for formability and pre-hole processed on 1.5 GPa HPF steel in upper sheet. Through optimized of SPR die, the tensile shear load of the SPR hybrid joining was measured 7.53 kN. In FDS joining, failure of fastener was occurred due to the high strength of the 1.5 GPa HPF steel. FDS joining was available after pre-hole process on the 1.5 GPa HPF steel. However, delamination of the aluminum damping plate was observed and the tensile shear load was measured 3.14 kN. In bolt/nut joining, tensile shear load was measured depending on process variable (combination of plate, washer and tightening torque) and maximum tensile load was measured 5.43 kN. In blind rivet joining, the maximum tensile shear load was measured 3.64 kN, when the Al vibration damping sheet was placed on the upper plate. The large area of the blind rivet head released the concentration of stress on Al vibration damping sheet. As a result, SPR hybrid joining is considerable method because pre-hole processing is minimized and tensile shear load is higher than the other method.

1. 서 론

알루미늄 제진판재(vibration damping aluminum sheet)는 두 장의 알루미늄 판재 사이에 점탄성 접착제 (viscoelastic adhesive) 층으로 구성된 샌드위치 형태의 판재로 Noise, Vibration and Harshness (NVH)를 저감시키는 기능을 하며, 동시에 동일 두께인 강재 대비 경량화 효과가 크므로 대쉬패널(dash panel) 및 카울(cowl) 소재로 검토되고 있다1). 1.5 GPa급 이상의 초고강도강은 경량화 효과와 함께 내구성 향상에 큰 부분을 차지하고 있으므로, 차량 사고 시 외부충격을 효과적으로 흡수해야 하는 충돌부 소재로 많이 채택된다2). 따라서 자동차의 NVH 저감, 차체 경량화 그리고 충돌 안전성을 동시에 만족하기 위해 알루미늄 제진판재 부품과 1.5 GPa급 초고강도강 부품의 이종소재 접합의 필요성 종종 대두된다. 알루미늄과 강재는 용융온도, 전기전도도, 열전도도 등의 물성이 상이하여 전통적인 용융용접의 적용이 어렵다. 또한 알루미늄과 강재 이종소재의 용융용접은 취성이 강한 금속간 화합물(intermetallic compound (IMC))을 형성하므로 접합부의 기계적 특성이 낮아지는 문제가 발생한다3). 더욱이, 제진판재를 구성하는 점탄성 수지는 알루미늄이나 강재에 비해 매우 낮은 온도에서 열분해 되는 특성을 가지므로 금속과의 용융용접이 불가하다. 따라서, 알루미늄 제진판재와 강재의 이종소재 접합은 기계적 체결과 접착제 접합 등의 비용융 접합기법이 고려된다.
알루미늄 제진판재와 590 MPa급 강재, CFRP, 알루미늄 합금 등의 이종소재 조합의 경우 이미 각 소재 조합별로 self-piercing rivet(SPR) 접합 특성에 대한 연구가 진행됐었다4). 소재 배치나 SPR 접합 공정 최적화를 통해 알루미늄 제진판재와 590 MPa급 강재 이종소재 접합부 인장전단하중은 3.6 kN, 알루미늄 제진판재와 CFRP 이종소재 접합부 인장전단하중은 2.3 kN, 알루미늄 제진판재와 Al5052-H32 접합부 인장전단하중은 3.3 kN 수준임을 확인하였다. 하지만, 알루미늄 제진판재와 1 GPa 이상의 초고강도강의 경우 SPR 단독 접합이 불가하므로 다양한 기계적 체결 공법에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 알루미늄 제진판재와 1.5 GPa HPF 강재 이종소재 접합을 위하여 SPR5), SPR hybrid, flow drill screw(FDS)6), bolt/nut7), blind rivet 5종의 기계적 체결 공법의 접합 품질을 비교하여 최적 공법을 제안하고자 한다. 여기서 SPR hybrid 접합은 해당 소재 조합에 대해 위에서 언급한 것과 같이 SPR 단독 접합이 불가하므로 상판에 홀 가공을 하고 덧댐판을 적용하여 SPR 성형체결이 이루어지도록 하는 것을 의미한다. FDS 역시 단독 접합이 불가하여 상판에 홀 가공이 필요하다. 따라서 SPR hybrid와 FDS 접합은 상판 홀 가공을 필요하며 bolt/nut와 blind rivet 접합은 상하판 모두에 홀 가공이 필요하다. 즉, 상판에만 홀이 필요한 경우 홀 간 정렬이 필요 없지만 상하판 모두 홀 가공을 한 경우 두 홀간 정렬이 필요하여 공정 자동화가 더 어려운 단점이 존재한다.

2. 실험장치 및 방법

본 연구에 사용된 소재는 두께 1.44 mm 알루미늄 제진판재와 두께 1.6 mm 1.5 GPa HPF 강판(SABC1470) 이다. 알루미늄 제진판재는 Fig. 1의 단면 사진과 같이 0.7 mm 두께의 Al5052-O 두 장이 0.04 mm 두께의 점탄성 접착제에 의해 접착된 샌드위치 형태 구조를 가진다. 각 소재의 두께와 강도는 Table 1에 제시하였으며 모재인장강도는 ASTM E8M 규격으로 측정하였다.
Fig. 1
Cross section of vibration damping al alloy
jwj-39-5-489gf1.jpg
Table 1
The mechanical properties (UTS & YS) and thickness of the materials
Sheet material Ultimate tensile strength (MPa) Yelid strength (MPa) Thickness (mm)
SABC1470 1540 1164 1.6
Vibration damping Al 197 93 1.44
Al5052-H32 228 193 2.0
본 연구에는 SPR과 SPR hybrid를 중심으로 이종소재 접합평가를 진행하였고 FDS, bolt/nut, blind rivet 3 종의 공법과 비교하였다.
SPR과 SPR hybrid 접합에 사용된 장비는 BÖLL- HOFF 사의 유압식 Rivset Gen 2 모델로 최대 78 kN의 가압이 가능하다. SPR 리벳은 Fig. 2와 같이 헤드(head) 직경이 7.8 mm, 샹크(shank) 직경이 5.3 mm로 보론강(boron steel) 재질로 Almac 코팅되어 480±30 Hv 경도를 가진다. SPR 리벳의 길이 L은 SPR 단독 접합의 경우 5 mm, SPR hybrid의 경우 7.5 mm 이다. SPR 다이는 바닥면의 형태에 따라 Flat (type-A), Cone (type-B), Dimple (type-C) 3종을 사용하였으며 자세한 치수는 Fig. 3에 나타내었다.
Fig. 2
Geometric dimensions of the SPR rivet used in this study. The rivet length, L is chosen depending on total thickness of materials to be joined
jwj-39-5-489gf2.jpg
Fig. 3
Geometric details of the die types used in SPR process
jwj-39-5-489gf3.jpg
SPR 또는 SPR hybrid 접합 단면의 주요 측정 인자는 Fig. 4와 같이 head height, interlock, bottom thick- ness이다. 본 연구에서 head height는 0 ± 0.05 mm의 조건을 만족하도록 SPR 접합 장비의 가압력 (punch force or setting force)을 설정하였다.
Fig. 4
Definition of geometrical indexes of the self- piercing riveted joint
jwj-39-5-489gf4.jpg
그 외 FDS, bolt/nut, blind rivet 접합 공법의 주요 공정 변수는 Table 2에 나타내었다.
Table 2
Summary of experimental conditions of joining methods (FDS, bolt/nut, blind rivet)
Joining methods Joining systems/tools Hardwares Parameters
FDS •Adaptive DFS for Lab (Manufacturer: DEPRAG) jwj-39-5-489gf13.jpg •Rivet: M5x20 (Ramp type EP12)
•Material: SWCH18A
•Heat treatment: Carburizing
•Coating: GEOMET jwj-39-5-489gf14.jpg
•Flow Drilling -8000 RPM, 750 N, 20 mm/s
•Taping -4000 RPM, 450 N
•Tightening -7N·m
•Top sheet hole diameter: 6.5 mm
Bolt/Nut •TOHNICHI QL25N-MH (Manufacturer: TOHNICHI) jwj-39-5-489gf15.jpg •Bolt, Nut and Washer: M6
•Material (bolt & nut) S45C
•Material (washer): Carbon steel jwj-39-5-489gf16.jpg
•Top & bottom sheets hole diameter: 6 mm
Blind rivet •RIVQUICK T3 (Manufacturer: BÖLLHOFF) jwj-39-5-489gf17.jpg •Rivet: Dome head (steel/steel)
•Material: C4C (body) C48D2(mandrel)jwj-39-5-489gf18.jpg
•Top & bottom sheets hole diameter: 6.6 mm
이종소재 접합부 인장전단 시험은 AG-300kNX 만능재료시험기를 사용하여 각 조건별로 3회 반복 측정하였으며, 인장속도는 5 mm/min로 설정하였다. 이종소재 접합부 전단인장 시편은 Fig. 5와 같이 KS B ISO 14273 규격으로 제작하였다.
Fig. 5
The dimensions of the test sample used for the tensile-shear test (KS B ISO 14273)
jwj-39-5-489gf5.jpg

3. 실험결과 및 토의

3.1 SPR 접합 평가

1.44 mm 두께 알루미늄 제진판재와 1.6 mm 두께 1.5 GPa HPF 강재의 이종소재에 대한 SPR 접합의 경우 Fig. 6의 결과와 같이 접합이 불가하였다. Fig. 6은 소재의 상하 배치와 SPR 리벳 2종(C-type & HD2-tpye)에 대해 평가한 결과이며 평형한 바닥면의 SPR 다이(die)가 공통적으로 사용되었다. (리벳 및 다이의 자세한 정보는 Fig. 2,3 참조) 알루미늄 제진판재가 상판에 위치하고 HPF 강재가 하판에 위치할 경우 리벳 종류에 관계없이 하판 파손 불량이 발생한다. 이는 하판 HPF 강재의 성형성이 부족하여 SPR 리벳과 성형체결을 이루지 못하고 파손되어 발생한다. HPF 강재가 상판에 위치한 경우, SPR 리벳이 상판을 관통하지 못하고 리벳 좌굴이 발생하므로 하판 알루미늄 제진판재와 성형제결을 이룰 수 없다. C-type에 비해 고강도 소재 접합용으로 개발된 HD2-type 리벳을 사용한 경우 역시 상판 HPF 강재를 관통하지 못하고 리벳 좌굴 불량이 발생하였다. 따라서, 이 두 소재 조합의 경우 SPR 단독 접합이 불가한 것으로 판단된다.
Fig. 6
Cross section of SPR Joint (a) Vibration-damping Al 1.44 mm (top)- SABC1470 1.6mm (bottom) and (b) SABC1470 1.6mm (top) -Vibration-damping Al 1.44 mm (bottom). A-type SPR die and 5 mm SPR rivet length
jwj-39-5-489gf6.jpg

3.2 SPR-hybrid 접합 평가

알루미늄 제진판재와 1.5 GPa HPF 강재에 대한 SPR 단독 접합이 불가하므로 본 연구에서는 Fig. 7와 같이 SPR hybrid 접합 공법을 평가하였다. SPR hybrid 접합은 상판에 홀을 가공하고 덧댐판(additional plate)을 적용하여 SPR은 하판을 뚫고 덧댐판과 성형체결을 이룬다. 즉, Fig. 7(b)와 같이 상판 1.5 GPa HPF 강재에 직경 6 mm 홀을 가공하여 직경이 5.3 mm인 SPR 샹크(shank)가 삽입될 수 있도록 하여 Fig. 6에서 관찰된 리벳 좌굴 발생을 막는다. 그리고 덧댐판은 성형성이 좋은 2 mm 두께의 Al5052-H32 소재를 선택하여 SPR과 성형체결이 잘 이루어지도록 하였다.
Fig. 7
Schematic illustrations of (a) SPR and (b) SPR hybrid processes
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1.6 mm 두께 1.5 GPa HPF 강재와 1.44 mm 두께 알루미늄 제진판재의 이종소재에 대한 SPR hybrid 접합의 SPR 다이 종류(A, B, C type)에 따른 결과를 Fig. 8에 나타내었다. SPR 단독 접합이 불가했던 해당 소재 조합에 대해 SPR hybrid 접합이 가능함을 확인할 수 있다. SPR hybrid 접합부 단면은 SPR 다이 종류와 관계없이 SPR 리벳 헤드와 상판 사이의 갭이 발생한다. 이는 상판 홀 가공부가 SPR 성형 체결 과정에서 변형하여 갭을 형성하기 때문이다. 이러한 갭은 수분 침투로 인한 부식 위험의 증가를 야기하므로 밀봉제나 방수도료를 적용하여 부식 예방이 필요하다. 접합부 인장전단하중은 A, B, C type 다이에 대해 각각 6.69, 7.23, 7.53 kN으로 측정되었다. SPR 접합력에 가장 큰 영향을 미치는 인자인 interlock은 각 다이별로 0.26~0.28 mm 정도로 오차범위 내에서 유사수준이다. 그리고 모든 경우의 파단모드는 알루미늄 제진판재의 net-tension 모재파단이 발생하므로 interlock은 다이별 접합력 차이의 원인이 아닌 것으로 판단된다. 한편, SPR 접합부의 체결력에 영향을 미치는 또 다른 중요 인자는 리벳과 다이의 부피비율이다. 하지만 SPR hybrid 접합 공정은 리벳과 다이의 단순 부피비율 정의가 적합하지 않으므로 접합부의 effective die-to-rivet volume ratio, Reff는 아래 식과 같이 다이 부피와 상판 홀 부피의 합과 리벳 부피의 비율로 정의한다. A, B, C type 다이에 대해 Reff는 각각 1.27, 1.27, 1.07이다. 즉, C type 다이의 경우 SPR hybrid 접합부의 빈공간이 가장 작으므로 SPR 성형체결이 가장 견고한 것으로 추정된다.
(1)
Reff=(Dievolume+Holevolume)/Rivertvolume
Fig. 8
Cross sections, interlocks, effective die-to-rivet volume ratio, tensile shear loads and failures after tensile shear test for SPR hybrid joints with respect to die type for SABC1470 1.6mm (top) -Vibration- damping Al 1.44 mm (bottom)
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3.3 FDS 접합 평가

FDS fastener는 두께 1.6 mm 두께의 1.5 GPa HPF 강재를 관통하지 못하므로 알루미늄 제진판재와 1.5 GPa HPF 강재의 이종소재 접합을 위해 앞선 SPR hybrid 접합과 같이 1.5 GPa HPF 강재에 홀 가공이 필요하다. 즉, 상판 HPF 강재에 직경 6.5 mm 홀을 가공하여 5 mm 직경의 FDS fastener가 삽입될 수 있도록 하였다. 따라서 FDS fastener는 하판 알루미늄 제진판재와 나사산 형성을 통한 체결을 이룬다. FDS 접합 공정은 일반적으로 총 6단계로 이루어진다8). 본 연구에서는 flow drilling, thread forming, 그리고 tightening 세 가지 과정의 주요 공정 변수인 speed, downforce, feed rate, torque 공정 최적화 과정을 거쳐 Table 3의 조건을 도출하였다. 그 접합 결과는 Fig. 9에 나타내었다. FDS 접합부 인장전단하중은 3.14 kN으로 하판 제진판재 모재 파단이 발생하였다. FDS 접합부의 품질 인자는 총 네 가지로 fastener 머리부와 상판 표면의 접촉, 나사성형 과정에서 형성된 상·하판 사이의 간극, 나사성형상태, 나사성형 과정에서 형성된 벌어짐으로 평가한다. FDS 접합에서 체결력은 주로 하판의 나사성형특성과 나사와 fastener의 결합 강도에 의해 결정된다9). Fig. 9의 FDS 접합단면을 보면 하판 Al 제진판재의 접착제 접합부 박리가 발생하였고 나사와 fastener 산의 품질이 양호하지 못함을 관찰할 수 있다.
Table 3
Processing parameters for FDS joining for SABC1470 1.6mm (top) -Vibration-damping Al 1.44 mm (bottom)
Process stages Speed (rpm) Downfoce (N) Feed rate (mm/s) Torque (N·m)
Flow drilling 8000 750 20 X
Thread forming 4000 450 X X
Tightening X X X 7
Fig. 9
Cross sections, tensile shear loads and failures after tensile shear test for FDS joint for SABC1470 1.6mm (top) -Vibration-damping Al 1.44 mm (bottom)
jwj-39-5-489gf9.jpg

3.4 Bolt/Nut 접합 평가

1.44 mm 두께 알루미늄 제진판재와 1.6 mm 두께 1.5 GPa HPF 강재의 이종소재에 대한 Bolt/Nut 체결 평가는 체결 토크, 상ㆍ하판 배치 그리고 washer 유무의 세 가지 조건에 따라 진행하였고 그 결과는 Fig. 10에 정리하였다. 체결 토크의 경우 그 값이 14 Nㆍm 이상일 경우 볼트의 나사산이 파손되므로 그 평가 범위를 7~13 Nㆍm로 하였다. 소재 배치나 washer 유무에 관계 없이 접합부 인장전단하중은 체결 토크 13 Nㆍm일 때 가장 높았다. 그리고 washer를 적용한 경우가 그렇지 않은 경우에 비해서 접합부 인장전단하중이 더 큰 것을 확인할 수 있다. 소재 배치의 경우, HPF 강판이 상판에 위치할 때 그 반대의 경우보다 인장전단하중이 다소 큰 것을 관찰할 수 있으나 그 차이가 오차 범위내의 값이므로 유의미하지 않은 것으로 판단된다. 인장전단하중의 최대값은 HPF 강재가 상판에 위치한 경우 washer를 적용하고 체결토크 13 Nㆍm일 때 5.43 kN이다. 그리고 파단모드는 모두 조건에서 동일하게 알루미늄 제진판재의 net-tension 파단이었다. 따라서, washer 적용으로 알루미늄 제진판재 파단부의 응력 집중을 분산시켜 인장전단하중이 증가함을 추정할 수 있다. 그리고 나사산이 파손되지 않는 범위에서 체결토크를 최대로 함으로써 fastener와 알루미늄 제진판재의 밀착력을 증가시켜 알루미늄 제진판재 접합부에 걸리는 응력을 효과적으로 분산할 수 있다.
Fig. 10
Bolt/Nut joint load and failure mode in terms of joining torque and configuration for SABC1470 1.6mm -Vibration-damping Al 1.44 mm
jwj-39-5-489gf10.jpg

3.5 Blind rivet 접합 평가

1.44 mm 두께 Al 제진판재와 1.6 mm 두께 1.5 GPa HPF 강재 이종소재의 상ㆍ하판 배치에 따른 blind rivet 접합성을 평가하였다. Blind rivet 접합은 blind rivet을 상 하판 소재의 홀에 정렬 후 rivet gun의 공압을 이용하여 체결하였고 그 결과는 Fig. 11에 나타내었다. 상판에 Al 제진판재가 위치할 경우 접합부 인장전단하중은 3.64 kN으로 그 반대의 경우의 2.42 kN에 비해 높은 값을 가진다. 그 원인은 blind rivet 머리부가 그 반대쪽에 비해 넓은 면적을 가지므로 제진판재가 상판에 위치할 경우 면적이 넓은 blind rivet 머리부에 의해 제진판재에 가해지는 응력이 감소하기 때문으로 추정된다. 파단모드는 상판에 HPF 강재가 위치할 경우, Al 제진판재의 bearing out 파단이고 상판에 Al 제진판재가 위치하였을 때 Al 제진판재의 net-tension 파단이 관찰된다. 파단모드가 다른 이유는 앞서 설명한 것처럼 blind rivet 머리부의 면적이 그 반대면에 비해 넓어 모재에 가해지는 응력집중 현상을 완화하기 때문이다. 즉, 취약부인 Al 제진판재가 상판에 위치하는 것이 더 효과적이다.
Fig. 11
Blind rivet joint load and failure mode in terms of joining configuration for SABC1470 1.6mm -Vibration-damping Al 1.44 mm
jwj-39-5-489gf11.jpg

4. 기계적 체결 결과 비교

1.6 mm 두께 1.5 GPa HPF 강재와 1.44 mm 두께 Al 제진판재의 이종소재 조합에 대해 SPR, SPR hybrid, FDS, Bolt/Nut, Blind rivet 5종 접합 각각의 최적화된 공정변수 조건에서 인장전단하중과 파단모드 비교를 아래 Fig. 12에 정리하였다. SPR 단독 접합은 접합이 불가하므로 인장전단하중 값은 0으로 표기하였다. SPR hybrid 접합부의 인장전단하중은 7.53 kN로 가장 크고 FDS 접합부는 3.14 kN로 가장 작다. 모든 접합부의 파단모드는 모재 파단으로 Al 제진판재 모재 강도가 HPF 강재에 비해 낮고 접합부의 체결력이 충분히 강하기 때문에 발생한다. 여기서 각 접합공법 별 인장전단하중 차이가 발생하는 이유는 기계적 체결부의 응력 집중 현상이 다르기 때문이다. 즉, SPR-hybrid 접합부의 경우 Al 제진판재가 HPF 상판과 덧댐판 사이에 위치하여 SPR 리벳에 의해 Al 제진판재에 작용하는 응력 집중이 완화되므로 가장 높은 인장전단하중 값을 가진다.
Fig. 12
Tensile shear loads and failure modes for SPR, SPR-hybrid, Bolt/Nut, FDS, and Blind rivet joints formed between SABC1470 1.6mm and Vibration-damping Al 1.44 mm
jwj-39-5-489gf12.jpg

5. 결 론

본 논문에서는 Al 제진판재와 1.5 GPa HPF steel 소재의 접합을 위하여 SPR, SPR-hybrid, FDS, Bolt/ Nut, Blind rivet 공법을 적용하였으며, 각 접합법에 대한 접합부의 강도 및 거동을 평가하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 1) SPR 접합의 경우, HPF 강재가 하판에 위치할 경우 성형성이 부족하여 하판 파손이 발생하였다. HPF 강재가 상판에 위치할 경우 SPR 리벳이 HPF 소재의 강도로 인하여 관통은 하였으나,리벳 좌굴이 발생하여 SPR 접합은 불가능하였다.

  • 2) SPR hybrid 접합의 경우, HPF 소재에 직경 6 mm 홀을 가공하였고, 하판에 성형성이 좋은 Al5052- H32 2 mm 덧댐판을 적용하여 접합이 가능하였다. Die 형상 평가 결과 pip(dimple) 형상인 C-type이 가장 높은 인장전단하중 값을 가졌다. 이는 C-type die의 Reff이 가장 낮기 때문에 SPR 성형체결이 가장 견고한 것으로 판단된다.

  • 3) FDS 접합의 경우, HPF 소재의 높은 강도로 인하여 FDS의 fastener의 손상이 발생하기 때문에 접합이 불가능하다. HPF 소재에 직경 6.5 mm 홀을 가공할 경우 접합은 가능하나, 제진판재의 접착제 접합부 박리가 발생하였다.

  • 4) Bolt/Nut의 경우, 체결 토크의 증가에 따라 인장전단하중의 값이 상승하며, 14 Nㆍm 이상의 체결토크에서 볼트의 나사산이 파손되어 접합이 불가능 하다. Washer는 Al 제진판재 파단부의 응력 집중을 분산시키는 효과를 가지며 인장전단하중을 증가시킨다. 소재 배치 조합에 따른 인장전단하중은 오차범위 내의 값이므로 소재의 배치는 유의미하지 않은 것으로 판단된다.

  • 5) Blind rivet의 경우, 인장전단하중은 Al 제진판재가 상판에 위치할 때 높은 인장전단하중의 획득이 가능하다. Blind rivet 머리부의 넓은 접합면이 Al 제진판재에 가해지는 응력집중 현상을 완화시킨다.

Acknowledgements

본 논문은 산업통상자원부 산업기술혁신사업 (과제번호: 20002809)의 지원으로 수행한 연구입니다.

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