JP2018029090A - Dissimilar metal joint structure, manufacturing method thereof, and water-cooled power conversion element including the same - Google Patents
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Abstract
【課題】十分な接合強度を有しつつ、従来よりも様々な異種金属同士を接合可能な異種金属接合構造物、並びにその製造方法及びそれを備える水冷電力変換素子を提供する。【解決手段】アルミニウムにより構成される伝熱板1と、伝熱板1上に形成され、ニッケルにより構成されるめっき層2と、伝熱板1とめっき層2との間に形成され、アルミニウムとニッケルとが合金化してなる金属間化合物層5と、めっき層2上に形成され、ニッケル銅とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部4が、伝熱板1に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物6とを備える異種金属接合構造物100とする。【選択図】図3Disclosed are a dissimilar metal joining structure capable of joining various dissimilar metals to each other while having sufficient joining strength, a method for manufacturing the same, and a water-cooled power conversion element including the same. A heat transfer plate 1 made of aluminum, a plating layer 2 formed on the heat transfer plate 1 and made of nickel, and formed between the heat transfer plate 1 and the plating layer 2, aluminum An intermetallic compound layer 5 formed by alloying nickel and nickel, and a mixed molten and solidified portion 4 formed on the plating layer 2 and mixed and melted with nickel copper are in a direction perpendicular to the heat transfer plate 1. A dissimilar metal junction structure 100 including a laminated structure 6 formed by laminating a plurality of layers is used. [Selection] Figure 3
Description
本発明は、異種金属接合構造物、並びにその製造方法及びそれを備える水冷電力変換素子に関する。 The present invention relates to a dissimilar metal joint structure, a manufacturing method thereof, and a water-cooled power conversion element including the same.
異種金属同士を接合する場合、それらの接合界面(接合部)には、異種金属同士が結合してなる金属間化合物(合金)が形成することがある。そして、この金属間化合物が脆い場合には、伸びが少ないため、疲労強度の低下、割れによる強度低下が生じ得る。そこで、異種金属同士の接合界面の信頼性を高める技術として、特許文献1に記載の技術が知られている。
When different kinds of metals are joined to each other, an intermetallic compound (alloy) formed by joining different kinds of metals may be formed at the joining interface (joined portion). And when this intermetallic compound is brittle, since there is little elongation, the fall of fatigue strength and the strength fall by a crack may arise. Therefore, a technique described in
特許文献1には、接合部の信頼性が高いパワーモジュールを提供することが記載されている。具体的には、パワーモジュールは、第1の材料からなる金属配線の上に、溶射法によって形成された下敷き導電部材と、はんだ層と、半導体チップとを順次積層して構成されている。これらのうち、下敷き導電部材は、第1の材料の粒子群と、第1の材料よりも熱膨張係数が小さい第2の材料の粒子群とを噴射して形成されている。そして、金属配線とはんだ層との間に、金属配線よりも熱膨張係数の小さい下敷き導電部材が介在しているので、はんだ層に印加される上下部材間の熱膨張係数差に起因する熱応力が緩和され、はんだ層のクラックの発生が抑制されると、記載されている。
特許文献1に記載の技術では、銅等からなる金属配線と、アルミニウム等からなるヒートシンクとの間には、エポキシ樹脂からなる絶縁樹脂層が形成されている。しかし、通常、金属と樹脂との接合強度は弱くなる傾向にある。従って、例えば銅からなる構造物と、例えばアルミニウムからなる構造物とは、エポキシ樹脂等を介さずに、直接接合されることが好ましい。
In the technique described in
しかし、本発明者らが検討したところによると、アルミニウムと銅とを単に接合させると、接合界面において、アルミニウムと銅とからなる金属間化合物が形成することがわかった。そして、この金属間化合物は脆いため、その接合界面において、クラック等が容易に発生し易いことがわかった。即ち、特許文献1において、銅等からなる金属配線と、アルミニウム等からなるヒートシンクとを単に接合させようとすると、それらの接合界面に脆い金属間化合物が形成される結果、接合強度が不十分になることが分かった。従って、特許文献1に記載の技術では、異種金属同士を接合させるとき、接合させる金属の組み合わせによっては接合強度が不十分になることがある。
However, according to the study by the present inventors, it has been found that when aluminum and copper are simply joined, an intermetallic compound composed of aluminum and copper is formed at the joining interface. And since this intermetallic compound was brittle, it turned out that a crack etc. are easy to generate | occur | produce easily in the joining interface. That is, in
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、十分な接合強度を有しつつ、従来よりも様々な異種金属同士を接合可能な異種金属接合構造物、並びにその製造方法及びそれを備える水冷電力変換素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the problem to be solved by the present invention is to dissimilar metal joints capable of joining various dissimilar metals to each other while having sufficient joint strength. The object is to provide a structure, a manufacturing method thereof, and a water-cooled power conversion element including the structure.
本発明者らは前記課題を解決するため、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を見出した。即ち、本発明の異種金属接合構造物は、第一の金属により構成される金属基材と、前記金属基材上に形成され、第二の金属により構成されるコーティング層と、前記金属基材と前記コーティング層との間に形成された、前記第一の金属と前記第二の金属とが合金化してなる金属間化合物層と、前記コーティング層上に形成され、前記第二の金属と第三の金属とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部が、前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物と、を備えるものである。 In order to solve the above problems, the present inventors have conducted intensive studies. As a result, the following findings were found. That is, the dissimilar metal joining structure of the present invention includes a metal base composed of a first metal, a coating layer formed on the metal base and composed of a second metal, and the metal base. And an intermetallic compound layer formed by alloying the first metal and the second metal, and formed on the coating layer. A mixed molten and solidified portion obtained by mixing and melting three metals is provided with a stacked structure in which a plurality of layers are stacked in a direction perpendicular to the metal substrate.
また、本発明の異種金属接合構造物の製造方法は、第二の金属により構成されるコーティング層が形成された金属基材上に、第三の金属を配置する金属第一配置工程と、前記金属第一配置工程において配置された前記第三の金属の側から、前記第三の金属に対してレーザ光を照射することで前記第三の金属と前記第二の金属とを混合溶融させて混合溶融凝固部を形成するとともに、前記レーザ光の照射によって生じる熱によって、前記コーティング層を構成する前記第二の金属と前記金属基材を構成する第一の金属とを合金化させて金属間化合物層を形成する混合溶融・合金層形成工程と、前記混合溶融・合金層形成工程を複数回繰り返すことで、前記混合溶融凝固部が前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物を形成する積層工程と、を含むものである。 Further, in the method for producing a dissimilar metal bonded structure according to the present invention, the metal first disposing step of disposing a third metal on the metal substrate on which the coating layer composed of the second metal is formed, The third metal and the second metal are mixed and melted by irradiating the third metal with laser light from the side of the third metal arranged in the first metal arrangement step. The mixed molten and solidified part is formed, and the second metal that constitutes the coating layer and the first metal that constitutes the metal base material are alloyed by heat generated by the irradiation of the laser beam to form an intermetallic By repeating the mixed melting / alloy layer forming step of forming a compound layer and the mixed melting / alloy layer forming step a plurality of times, a plurality of the mixed molten solidified portions are stacked in a direction perpendicular to the metal substrate. Form a laminated structure A layering step of, is intended to include.
さらに、本発明の水冷電力変換素子は、第一の金属により構成される金属基材と、前記金属基材上に形成され、第二の金属により構成されるコーティング層と、前記金属基材と前記コーティング層との間に形成された、前記第一の金属と前記第二の金属とが合金化してなる金属間化合物層と、前記コーティング層上に形成され、前記第二の金属と第三の金属とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部が、前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物と、を備える異種金属接合構造物と、前記金属部材に対して熱的に接触している電力変換素子と、を備え、前記積層構造物には、前記電力変換素子を冷却する冷媒が接触しているものである。 Furthermore, the water-cooled power conversion element of the present invention includes a metal substrate composed of a first metal, a coating layer formed on the metal substrate and composed of a second metal, and the metal substrate. An intermetallic compound layer formed by alloying the first metal and the second metal formed between the coating layer, and the second metal and the third metal layer formed on the coating layer. A heterogeneous metal joining structure comprising: a laminated structure in which a plurality of mixed molten and solidified portions obtained by mixing and melting a plurality of metals are stacked in a direction perpendicular to the metal substrate; and the metal member A power conversion element that is in thermal contact, and the laminated structure is in contact with a refrigerant that cools the power conversion element.
本発明によれば、十分な接合強度を有しつつ、従来よりも様々な異種金属同士を接合可能な異種金属接合構造物、並びにその製造方法及びそれを備える水冷電力変換素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a dissimilar metal joining structure capable of joining various dissimilar metals to each other while having sufficient joining strength, a manufacturing method thereof, and a water-cooled power conversion element including the same. it can.
以下、図面を適宜参照しながら、本発明を実施するための形態(本実施形態)を説明する。 Hereinafter, a form for carrying out the present invention (this embodiment) will be described with reference to the drawings as appropriate.
図1は、本実施形態の異種金属接合構造物100を備える水冷電力変換素子110の一部を抜き出した斜視図である。即ち、図1は、水冷電力変換素子110を構成する、異種金属接合構造物100及びそれと接合した電力変換素子10を示すものである。異種金属接合構造物100は、伝熱板1(金属基材)と、めっき層2(コーティング層)と、水冷フィン11(図3等に示す積層構造物6に相当する)とを備えて構成される。そして、伝熱板1には、電力変換素子10(インバータ)が接合されている。電流変換素子10は直流電流を交流に変換、もしくは交流電流を直流電流に変換する素子である。
FIG. 1 is a perspective view of a part of a water-cooled power conversion element 110 provided with a dissimilar metal
詳細は図2を参照しながら後記するが、水冷フィン11には、水12(図2参照)が接触している。これにより、電力変換素子10による電流変換によって生じた熱は、伝熱板1、めっき層2及び水冷フィン11を伝熱して当該水に放熱され、これにより、電力変換素子10の冷却が行われるようになっている。
Although details will be described later with reference to FIG. 2, water 12 (see FIG. 2) is in contact with the water-cooled
図2は、本実施形態の異種金属接合構造物100を備える水冷電力変換素子110の断面図である。図2では、図示を簡略化するため、電流変換素子10の端子等、部材の一部を省略して記載している。水冷電力変換素子110において、放熱板1、めっき層2及び水冷フィン11(積層構造体6)からなる異種金属接合構造物100は、アルミケース15及びアルミ蓋16で囲まれている。そして、めっき層2とアルミ蓋16との間には、水12が紙面奥方向に流れるようになっている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the water-cooled power conversion element 110 including the dissimilar
また、アルミケース15と伝熱板1との間にも、電流変換素子10への水12の漏れを防止するため、レーザ溶接により重ね溶接部13が形成されている。さらに、アルミケース15とアルミ蓋16との接合部にも、同様に水12の外部への漏れを防止するため、レーザ溶接によって突合せ溶接部14が形成されている。重ね溶接部13及び突き合わせ溶接部14のいずれにおいても、同じ金属同士(アルミニウム同士)の溶接であるため、十分な接合強度が確保されている。
Also, a
本実施形態では、伝熱板1はアルミニウム(第一の金属)により構成され、めっき層2はニッケル(第二の金属)により構成され、水冷フィン11は銅(第三の金属)により構成されている。これらのように、異種金属接合構造物100において比較的大きな体積を有する伝熱板1では、アルミニウムという軽量な金属を用いることで、軽量化の向上が図られている。また、めっき層2をニッケルにより構成することで、めっき法を利用しためっき層2の形成のし易さから、製造コスト削減を図っている。さらに、水冷フィン11は、異種金属接合構造物100において占める体積が比較的小さいため、アルミニウムよりも伝熱性の高い銅を用いることで、水への放熱性をより高めることができるようになっている。
In this embodiment, the
即ち、めっき層2を設けることで、従来の技術では接合強度に課題のあるためで困難であった、銅製の水冷フィンを、アルミニウム製の伝熱板1上に配置することができる。前記のように銅は熱伝導性に優れることから、水冷電力変換素子110をこのように構成することで、電力変換素子10の放熱性を従来よりも高めることができ、電力変換素子10の耐久性を向上させることができる。
That is, by providing the
また、水冷電力変換素子110では、従来の樹脂等を用いずに、金属により構成されるめっき層を介して、異種金属であるアルミニウムと銅とが接合されている。そのため、アルミニウムと銅との熱伝導性が、樹脂を介する場合と比較して格段に優れる。従って、この点においても、電力変換素子10の放熱性が従来よりもさらに高められ、電力変換素子10の耐久性をより向上させることができる。
Moreover, in the water-cooled power conversion element 110, aluminum and copper which are different metals are joined through the plating layer comprised with a metal, without using conventional resin etc. Therefore, the thermal conductivity between aluminum and copper is remarkably excellent as compared with the case of using a resin. Therefore, also in this respect, the heat dissipation of the
図3は、図2のA部拡大図であり、本実施形態の異種金属接合構造物100における積層構造物6の近傍を拡大して示した図である。図3に示すように、積層構造物6(図1における冷却フィン11に相当)は、混合溶融凝固部4が伝熱板1に垂直な方向(以下、「上下方向」という)に複数積層されてなるものである。本実施形態では、混合溶融凝固部4は、上下方向に8層積層されてなる。従って、電子顕微鏡により積層構造物6の断面を観察したときに、積層構造物6の断面では金属組織が一様な断面(界面が観察されない)とはなっておらず、混合溶融凝固部4の金属組織が8層積層(堆積)していることが確認可能である。
FIG. 3 is an enlarged view of a portion A in FIG. 2, and is an enlarged view showing the vicinity of the
前記のように、本実施形態では、めっき層2はニッケルにより構成され、積層構造物6は銅により構成される。ただし、詳細は、異種金属接合構造物100の製造方法を説明しながら後記するが、積層構造物6は、めっき層2の表面に配置された銅粉末と、めっき層2中のニッケルとが混合溶融してなる。そのため、積層構造物6においては、めっき層2の近傍に存在する混合溶融凝固部4ほど、ニッケルの含有量が多くなり、銅の含有量が少なくなる。一方で、めっき層2から離れた混合溶融凝固部4ほど、ニッケルの含有量が少なくなり、銅の含有量が多くなる。これらのように、積層混合物6では、めっき層2に含まれるニッケル及び銅の濃度が、めっき層2から遠ざかるにつれて、徐々に変化するようになっている。即ち、ニッケル及び銅の含有量が、傾斜組成になっている。これにより、積層構造物6の凝固の際の残留応力が低減され、積層構造物6の強度が向上する。
As described above, in the present embodiment, the
めっき層2を構成するニッケルと、めっき層2の表面に配置された銅とは、合金化せずに単に混合されるような異種金属の組み合わせである。前記のように、異種金属同士が合金化した合金(金属間化合物)のなかには、脆いものもある。そこで、合金化せずに単に混合している状態の混合溶融凝固部4を形成することで、異種金属同士の接合強度の向上が図られる。ただし、異種金属同士が合金化した合金が混合溶融凝固部4に含まれることを完全に排除するものではなく、異種金属同士の少なくとも一部(好ましくは全部)が溶融混合された状態であれば十分な接合強度が維持される。
Nickel constituting the
また、伝熱板1とめっき層2との間であって、積層構造物6の下方には、伝熱板1に含まれるアルミニウムと、めっき層2に含まれるニッケルとが合金化した金属間化合物層5が形成されている。そして、積層構造物6の下方以外の部分では、伝熱板1とめっき層2とは直接接合している。伝熱板1とめっき層2との間に形成される金属間化合物層5は、アルミニウム−ニッケル合金により構成されている。これは、混合溶融凝固部4の形成時にレーザ光によって与えられる熱が、めっき層2の内部を伝わって伝熱板1に到達することによる。即ち、めっき層2の内部を伝わった熱によって、めっき層2中のニッケルと、伝熱板1中のアルミニウムとがこれらの接合界面において反応し、ニッケルとアルミニウムとが合金化するためである。そのため、金属間化合物層5は、積層構造物6の下方に形成されることになる。
Further, between the
本実施形態において、コーティング層であるめっき層2は、均一な厚さの薄膜の形成のし易さや、製造コスト等の観点から、めっき法により形成される。コーティング層がめっき法により形成されたものであるか否かは、コーティング層の断面を電子顕微鏡写真で観察することで確認可能である。即ち、コーティング層がめっき法で形成されためっき層2である場合には、めっき層2の断面においては、金属組織の界面が無く、一様な状態として観察される。
In the present embodiment, the
コーティング層がめっき層2である本実施形態では、伝熱板1とめっき層2との接合強度は比較的低くなっている。しかし、前記の混合溶融凝固部4の形成時に金属間化合物層5が並行して形成されることで、伝熱板1とめっき層2との接合強度が高められる。即ち、ニッケルとアルミニウムとの合金化により、伝熱板1とめっき層2との間で、ニッケル−アルミニウム合金の拡散接合が生じることになる。これにより、伝熱板1とめっき層2とは金属的に接合されることになり、これらの接合強度が向上する。従って、製造コストや形成の容易さに基づいて選択されためっき法により形成されためっき層2であっても、十分な接合強度が得られる。
In the present embodiment in which the coating layer is the
なお、ニッケル−アルミニウム合金は脆い化合物になることがある。しかし、金属間化合物層5は、混合溶融凝固部4の形成時に伝わった熱によって形成されるため、その化合物の生成量はそれほど多くない。また、形成される金属間化合物層5も極めて薄くなるため、脆い化合物による接合強度の低下は十分に抑制される。
The nickel-aluminum alloy may become a brittle compound. However, since the
前記のように、本実施形態では、めっき層2はニッケル(第二の金属)により構成され、混合溶融凝固部4及びそれが積層されてなる積層構造物6(めっき層2の表面に配置される金属粉)は銅(第三の金属)により構成される。しかし、第二の金属及び第三の金属は、これらに限定されるものではない。ただし、第二の金属及び第三の金属のうちの少なくとも一方は、全率固溶体であることが好ましい。また、第二の金属及び第三の金属のいずれもが全率固溶体であることがより好ましい。全率固溶体の金属同士を用いることで、脆い金属間化合物を形成しないからである。このような全率固溶体の具体例としては、ニッケル及びその合金、銅及びその合金、鉄及びその合金等が挙げられる。
As described above, in the present embodiment, the
また、第二の金属と第三の金属との組み合わせとしては、ある金属と、その金属を含む合金との組み合わせも好ましい。例えば、アルミニウムと、アルミニウムを含む合金(アルミニウム合金)との組み合わせや、銅と、銅を含む合金(銅合金)との組み合わせ等が挙げられる。例えば前者の場合、第二の金属はアルミニウムであり、第三の金属はアルミニウム合金となる。 Moreover, as a combination of the second metal and the third metal, a combination of a certain metal and an alloy containing the metal is also preferable. For example, the combination of aluminum and the alloy (aluminum alloy) containing aluminum, the combination of copper and the alloy (copper alloy) containing copper, etc. are mentioned. For example, in the former case, the second metal is aluminum and the third metal is an aluminum alloy.
また、伝熱板1に含まれる金属(第一の金属)は、特に制限されない。ただし、第一の金属が前記第三の金属と反応して脆い合金が生成するような場合に、本発明の効果が特に大きく発揮される。具体的には例えば、第一の金属がアルミニウムであり、第三の金属が銅であるような場合である。そこで、伝熱板1に含まれる金属は、前記積層構造物6に含まれる金属の種類に応じて適宜設定すればよい。
Further, the metal (first metal) contained in the
これらの点に基づいて、伝熱板1、めっき層2及び積層構造物6のそれぞれに用いられる金属の組み合わせとして、以下の表1に記載の組み合わせが考えられる。ただし、表1に示す組み合わせは例であり、表1に記載の組み合わせになんら限定されない。なお、1番目の組み合わせは、前記の実施形態において用いた組み合わせである。
Based on these points, combinations shown in Table 1 below can be considered as combinations of metals used for the
伝熱板1、めっき層2及び金属間化合物層5の厚さや、混合溶融凝固部4の大きさ、積層構造物6の高さ等の各寸法に特に制限はない。例えば、伝熱板1の厚さは3mm程度とすることができる。また、めっき層2の厚さは例えば40μm程度とすることができる。さらに、金属間化合物層5の厚さは、十分な接合強度を得る観点から、例えば5μm以下とすることができ、より具体的には例えば0.8μm程度とすることができる。
There are no particular restrictions on the dimensions such as the thickness of the
次に、図4〜図9を参照しながら、積層構造物6の製造方法(即ち、異種金属接合構造物の製造方法)を説明する。積層構造物6の製造方法は、所謂パウダーベット法ともいわれる方法である。
Next, the manufacturing method of the laminated structure 6 (namely, the manufacturing method of a dissimilar metal junction structure) is demonstrated, referring FIGS. The manufacturing method of the
図4は、伝熱板1に銅粉末(第三の金属)を塗布した後の断面図である。図4では、ニッケル(第二の金属)のめっき層2が形成されたアルミニウム(第一の金属)の伝熱板1の表面に対して、アトマイズ法により製造した球状の銅粉末3が配置固定された様子が示されている(第三金属配置工程)。ただし、銅粉末3は、めっき層2の表面に固定されている必要は必ずしもなく、めっき層2の表面に配置されていればよい。めっき層2の形成は、例えば電気めっき法により行うことができる。また、めっき層2がめっき法により形成されたものであるかどうかの確認は、前記のように、めっき層2の断面を電子顕微鏡写真により観察することで確認することができる。
FIG. 4 is a cross-sectional view after applying copper powder (third metal) to the
めっき層2の表面に配置固定される銅粉末3の大きさは、粒径として例えば20μm〜50μm程度とすることができる。また、銅粉末3が配置固定されてなる層(めっき層2のさらに外側に形成される層)の厚さは100μm程度とすることができる。
The magnitude | size of the
図5は、図4に示す状態において、所望の位置にレーザ光を照射している状態を示す断面図である。レーザ光は、図5では図示していないが、紙面の手前側から奥側に向かって照射されている。レーザ光の照射により、銅粉末3とめっき層2の表面のニッケルとが溶融し、これらが混合された後に放熱(例えば冷却)されてなる混合溶融凝固部4が形成される(混合溶融・合金層形成工程)。特に、放熱中、ニッケルと銅とは十分に混合されているものの、比較的比重の大きい銅が下側に向かう傾向にあり、一方で、比較的比重の小さいニッケルが上側に向かう傾向にある。従って、混合溶融凝固部4では、上側にニッケルが、下側に銅が存在する傾向にある。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where a desired position is irradiated with laser light in the state shown in FIG. Although not shown in FIG. 5, the laser light is emitted from the front side of the paper to the back side. By irradiation with laser light, the
また、めっき層2は金属であるため、銅粉末3等が溶融するために用いられる熱の一部は、めっき層2を通じて、伝熱板1とめっき層2との接合界面に到達する。そうすると、この接合界面では、異種金属同士が接合しているため、その部分から双方の金属の溶融が開始され、これらの金属が合金化する。これにより、伝熱板1とめっき層2との間であって、混合溶融凝固部4の下方に、金属間化合物層5が形成することになる(混合溶融・合金層形成工程)。
Further, since the
金属間化合物層5の形成開始後、レーザ光の照射による伝熱が続く間は、めっき層2においては上方向に、伝熱板1においては下方向に、それぞれの金属の溶融範囲が拡大することになる。従って、金属間化合物層5において、中央近傍ではアルミニウム濃度とニッケル濃度は合金化しているため略同じであるが、中央近傍から上方向に遠ざかるにつれて、ニッケル濃度は上昇し、アルミニウム濃度は低下することになる。一方で、中央近傍から下方向に遠ざかるにつれて、アルミニウム濃度は上昇し、ニッケル濃度は低下することになる。そのため、図5等では、図示の都合上、金属間化合物層5と、伝熱板1及びめっき層2との界面を明示しているが、実際には、これらの界面は判断できないことが多い。
After the start of the formation of the
このように、本実施形態では、めっき層2の表面及び銅粉末3のみが溶融する条件で、レーザ光の照射が行われている。これにより、ニッケルと銅とが混合してなる強固な混合溶融凝固部4が形成され、優れた接合強度を有する異種金属接合構造物100が得られる。また、混合溶融凝固部4の生成中に用いられる熱の一部がめっき層2内を伝達し、金属間化合物層5が形成される。金属間化合物5が形成されることで、伝熱板1とめっき層2との間の接合強度を高めることができる。このように、前記の混合溶融凝固部4に加えて金属間化合物層5が形成されていることで、構造物全体として、従来よりも接合強度が十分優れた異種金属接合構造物100を得ることができる。
Thus, in this embodiment, laser light irradiation is performed under the condition that only the surface of the
一方で、レーザ光の照射が強力なものであると、めっき層2が貫通して溶融されてしまい、金属間化合物層5が形成されない可能性がある。また、この場合、伝熱板1も溶融してしまい、アルミニウムと銅粉末3とが反応して、脆い合金を形成してしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、めっき層2の表面及び銅粉末3の双方を溶融可能な程度に弱い条件でレーザ光を照射すればよい。
On the other hand, if the laser beam irradiation is strong, the
そして、金属間化合物層5の厚さは、伝熱板1とめっき層2との接合界面における温度及びレーザ光の照射時間により制御できる。具体的には、レーザ光の照射時間が長いか、又は、伝熱板1とめっき層2との接合界面から金属間化合物層5までの距離が短いと、厚い金属間化合物層5が生成する傾向にある。従って、レーザ光の照射条件、金属粉末3の塗布条件、めっき層2の厚さ等により、金属間化合物5の構造を制御することができる。
The thickness of the
例えば、銅粉末3により構成される層の厚さが100μm、ニッケルにより構成されるめっき層2の厚さが40μmである場合、波長1070nmのレーザ光を照射可能な連続発振のファイバレーザ装置を用い、2枚の反射ミラーを動かして2次元平面をスキャンさせることで、混合溶融凝固部4及び金属間化合物層5を形成することができる。このときの照射条件としては、例えば、ビーム径Φを100μmとし、スキャン速度を100m/sとし、レーザ出力を400Wとすることができる。
For example, when the thickness of the layer composed of
また、レーザ光の照射は、混合溶融凝固部4の形成途中で溶融した金属の酸化を防止する観点から、不活性ガス(例えばアルゴンガス)中で行うことが好ましい。これにより、不純物(例えば酸化物)の少ない混合溶融凝固部4を形成することができる。
Moreover, it is preferable to perform irradiation of a laser beam in inert gas (for example, argon gas) from a viewpoint of preventing the oxidation of the metal fuse | melted in the middle of formation of the mixing
図6は、レーザ光の照射位置を少しずつずらしながら都度照射し、5回目のレーザ光を照射する様子を示した断面図である。前記の図5に示す状態では、紙面の手前側から奥側に向かってレーザ光が照射されたが、図6では、照射位置を合計で5回少しずつ右側にずらしてレーザ光を照射した状態が示されている。各回の照射の際には、形成される混合溶融凝固部4が少しずつ重なるようにして、レーザ光が照射されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which the laser beam is irradiated each time while the irradiation position of the laser beam is shifted little by little and the fifth laser beam is emitted. In the state shown in FIG. 5, the laser beam is irradiated from the near side to the far side of the paper surface. In FIG. 6, the irradiation position is shifted to the right by a total of 5 times and the laser beam is irradiated. It is shown. At the time of each irradiation, the laser beam is irradiated so that the formed mixed molten and solidified
また、前記の図5に示した、初めに形成された混合溶融凝固部4はアルミニウムとニッケルとの混合物であったが、2回目以降の照射により形成される混合溶融凝固部4(例えば図6の状態では、混合溶融凝固部4は、アルミニウム及びニッケルに加えて、図5に示した初めに形成された混合溶融凝固部4の成分も含まれている。従って、左右方向に形成される混合溶融凝固部4は同じ成分により形成されるため、割れの無い強固な混合溶融凝固部4が得られる。
In addition, the initially formed mixed molten and solidified
混合溶融凝固部4の新たな形成にあわせて、新たな金属間化合物層5が形成される。新たに形成される金属間化合物層5に含まれる合金は、既存の合金とともに合金化される。そのため、金属間化合物層5では、単に混合されてなる混合溶融凝固部4とは異なり、境目なく一体に形成される。通常、積層構造物6(図3参照)の大きさ(左右方向の長さ)が大きくなると、伝熱板1からの剥離が生じやすくなる。しかし、本実施形態では、積層構造物6を構成する混合溶融凝固部4の形成にあわせて、伝熱板1とめっき層2との接合強度を向上させる金属間化合物層5が形成される。そのため、積層構造物6の大きさが大きくなっても、十分な接合強度が得られる。
A new
図7は、2層目の混合溶融凝固部4を形成するための銅粉末3を塗布した後の断面図である。図7では、図6に示した状態(紙面手前側から奥側に向かう5本の混合溶融凝固部4が形成された状態)において、さらに別の銅粉末3を図1の状態と同様にして配置固定したものである。即ち、図7では、図5及び図6において形成された混合溶融凝固部4の上に、銅粉末3が配置固定された状態である(第三金属配置工程、積層工程)。
FIG. 7 is a cross-sectional view after applying the
図8は、図7に示す状態において、2層目の混合溶融凝固部4を形成するための起点となる位置にレーザ光を照射している状態を示す断面図である。この起点は、通常は、一層目(図6に示した状態)のうちの初めに形成された混合溶融凝固部4のレーザ光照射位置(図5に示す位置)と同じになる。この位置でのレーザ光照射が開始されることで、2層目の混合溶融凝固部4の形成が開始される(積層工程)。レーザ光の照射は、図6に示した条件と同様にして行うことができる。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state in which laser light is radiated to a position serving as a starting point for forming the second layer mixed
図9は、レーザ光の照射位置をずらしながら複数回照射した後、積層構造物を構成する最後の混合溶融凝固部を形成するためのレーザ光を照射している様子を示す断面図である。である。即ち、図5〜図7に示す操作を8回繰り返し、上下方向に8層の混合溶融凝固部4を形成した状態を示したものである。このように、上下方向に複数の混合溶融凝固部4が積層されることで、積層構造物6が得られる(積層工程)。そして、図9に示す状態から、めっき層2の表面に残存する未反応の銅粉末3を除去することで、前記の図3に示した異種金属接合構造物100が得られる。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state in which the laser beam for forming the final mixed molten solidified portion constituting the laminated structure is irradiated after the irradiation is performed a plurality of times while shifting the irradiation position of the laser beam. It is. That is, the operation shown in FIG. 5 to FIG. 7 is repeated eight times to show a state in which eight layers of the mixed molten and solidified
混合溶融凝固部4が複数積層されてなる積層構造物6においては、前記のように、めっき層2近傍でニッケル濃度は最も高く、先端(上方)に向かうにつれてニッケル濃度は徐々に低下する。一方で、混合溶融凝固部4が上下方向に1層積層形成されるたびに、図7に示すように銅粉末3が塗布固定される。そのため、めっき層2の近傍での銅濃度が最も低く、先端(上方)に向かうにつれて銅濃度が徐々に上昇することになる。
In the
これらのうち、特にニッケルの濃度は、めっき層2に含まれるニッケルの量が変化しないため、先端に向かうにつれてすぐに低下する。一方で、銅粉末3は、レーザ光照射の都度新たに配置固定するため、銅の濃度は、先端に向かうにつれて比較的すぐに上昇し易い。そのため、ニッケルを含みはするものの、その大部分が銅により構成された積層構造物6が得られる。
Among these, the nickel concentration particularly decreases immediately toward the tip because the amount of nickel contained in the
また、積層構造物6では、前記のように組成が傾斜的に変化している(傾斜組成)。そして、この傾斜組成により、熱膨張係数も次第に変化する。そのため、凝固時の残留応力が低減され、変形が低減され、割れのない高強度の異種金属接合構造物100が得られる。
In the
以上のように、例えば、アルミニウムと銅と等、脆い化合物を形成してしまうため接合が困難であった異種金属同士を、めっき層2を介することで、接合強度が高い異種金属接合構造物100を製造することができる。特に、樹脂等を介さず、金属のみにより接合することができるため、接合強度を十分に高めることができる。そして、接合に用いられるめっき層2は、接合する各金属に応じて適宜に選択可能であるため、接合強度の観点から従来は接合が難しかった異種金属同士を、十分な接合強度で接合することができる。
As described above, for example, a dissimilar metal bonded
図10は、本実施形態の異種金属接合構造物100を適用した別の実施形態である冷却金型120の断面図である。冷却金型120(異種金属接合構造物)は、溶融樹脂等を成型するための金型成型部25(積層構造物)と、金型成型部25を冷却するための水が通流する内部流路22と、金型成型部25からの熱を水に伝熱するためのベース板21(金属基材)とを備えている。
なお、金型成型部25は、前記の積層構造物6と同様に混合溶融凝固部4が積層されてなるが、図10では図示の都合上、金型成型部25は一様なものとして示し、また、金型成型部25と混合溶融凝固部4との境界を明示している。
FIG. 10 is a cross-sectional view of a cooling
The
ベース板21の上には、めっき層2が形成されている。そして、ベース板21とめっき層2との間には、金属間化合物5が形成されている。また、めっき層2の上には、金型成型部25が形成されている。そして、めっき層2と金型成型部25との間には、混合溶融凝固部4が形成されている。
On the
冷却金型120においては、ベース板21を構成する金属(第一の金属)は、水冷による抜熱を促進させるため、熱伝導率の高い銅である。また、めっき層2を構成する金属(第二の金属)は、前記の水冷電力変換素子110と同様に、ニッケルである。そして、金型成型部25を構成する金属(第三の金属)は、マルエージング鋼である。マルエージング鋼は、ニッケルやコバルト等を含む鉄系の合金である。なお、これらの組み合わせは、前記の表1における6番目の組み合わせである。
In the cooling
ニッケルは工業的に安価であり、かつ、マルエージング鋼と溶融させても脆い化合物を形成しないものである。そして、マルエージング鋼は高強度であるため、樹脂成型金型として寿命が長いので金型成型部25の材質に選定した。
Nickel is industrially inexpensive and does not form a brittle compound even when melted with maraging steel. And since maraging steel is high intensity | strength, since the lifetime is long as a resin molding metal mold | die, it selected as the material of the metal mold | die
ここで、銅の融点と、マルエージング鋼の融点とは、大きく異なる。そこで、銅製のベース板21を単にマルエージング鋼製の金型成型部25に接合しようとすると、接合界面において割れが発生して、接合強度が低下する。そのため、従来の方法であれば、ベース板21の上に直接金型成型部25を造形することはできない。そこで、めっき層2を介することで、信頼性のある冷却金型120が得られる。
Here, the melting point of copper and the melting point of maraging steel are greatly different. Therefore, if the
冷却金型120は、基本的には前記の水冷電力変換素子110と同様にして製造することができる。そこで、以下の説明では、前記の水冷電力変換素子110の製造方法とは異なる点を主に挙げて、冷却金型120の製造方法を説明する。
The cooling
まず、水冷流路22を形成したベース板21(厚さ20mm程度)上に、ニッケルのめっき層2(厚さ30μm程度)が形成される。そして、めっき層2の上に、マルエージング鋼の金属粉(粒径として20μm〜40μm程度、平均粒径は30μm程度。図示しない)が塗布される。この金属粉は、例えばガスアトマイズ法により製造可能である。その後、マルエージング鋼の側からレーザ光を照射することにより、ニッケルとマルエージング鋼との混合物である混合溶融凝固部4が形成される。また、これに伴い、銅とニッケルとからなる合金により構成される金属間化合物層5が形成される。
First, a nickel plating layer 2 (thickness of about 30 μm) is formed on a base plate 21 (thickness of about 20 mm) on which the
レーザ光の照射条件としては、以下のようにすることができる。即ち、溶融凝固過程での金属酸化を防止する観点から、レーザ光は窒素雰囲気で照射される。そして、レーザ光のビーム径は直径100μmであり、レーザ出力は200W、レーザスキャン速度は100m/sで照射することができる。さらに、レーザ光は、波長1070nmの連続発振のファイバレーザを用いることができる。 The laser light irradiation conditions can be as follows. That is, from the viewpoint of preventing metal oxidation during the melting and solidification process, the laser beam is irradiated in a nitrogen atmosphere. The beam diameter of the laser beam is 100 μm, the laser output is 200 W, and the laser scan speed can be 100 m / s. Further, a continuous wave fiber laser having a wavelength of 1070 nm can be used as the laser light.
ただし、冷却金型120では、前記の冷却電力変換素子110とは異なり、積層構造物6である金型成型部25の大きさ(上下方向の高さ)が一様ではない。即ち、図10に示すように、金型成型部25の中央近傍では薄く、両端近傍では厚くなっている。そこで、冷却金型120の製造の際、中央近傍でのマルエージング鋼の塗布量及び回数、並びにレーザ光の照射回数が少なく、一方で、両端近傍では、これらが多くなっている。即ち、冷却金型120の製造においては、両端近傍でマルエージング鋼の塗布及びレーザ照射をより多く繰り返して、中央近傍と比べて厚みのある金型成型部25を形成することができる。このようにすることで、所望の形状となる金型成型部25(積層構造物6)を形成することができる。また、その上方では殆どニッケルを含まないマルエージング鋼の金型成型部25を製造することができる。
However, in the cooling
このようにして製造した冷却金型120は、マルエージング鋼製の金型成型部25によって、優れた強度を有する金型とすることができる。一方で、銅製のベース板21を備えるため、銅による伝熱性能に優れ、金型成型部25の冷却効果を高いものにすることができる。特に、ベース板21と金型成型部25とは、金属のみによって接続されている。そのため、銅の伝熱性能の良好さを最大限発揮することができ、冷却性能に優れた冷却金型120を製造することができる。さらに、混合溶融凝固部4及び金型成型部25では、前記の冷却電力変換素子110と同様に、ニッケル及びマルエージング鋼の組成は傾斜組成になっている。そのため、組成の変化に対応して熱膨張係数も変化するため、異種金属の熱膨張差による残留応力が低減される。これにより、高い強度で金型成型部25を接合することができる。
The cooling
以上、本発明を実施する形態を、2つの具体例を挙げながら説明したが、本実施形態は前記の例になんら限定されるものではない。 As mentioned above, although embodiment which implements this invention was described giving two specific examples, this embodiment is not limited to the said example at all.
例えば、前記の各実施形態では、コーティング層として、めっき法により形成しためっき層2が形成されているが、コーティング層としては、コールドスプレー法により形成した層であってもよい。この場合のコールドスプレー法では、第二の金属(ニッケル等)が溶融温度以下で金属基材に衝突させられて、第二の金属により構成される層が形成されることになる。コールドスプレー法を用いてコーティング層を形成することで、めっき法により形成しためっき層2の厚さよりも、厚いコーティング層を形成することができる。コーティング層を厚く形成することで、レーザ光が照射される位置(即ち、混合溶融凝固部4が形成される位置)から、金属間化合物層5が形成される位置までの距離を長くすることができる。これにより、レーザ光の照射による熱が伝わりにくくなり、比較的薄い金属間化合物層5を形成することができる。
For example, in each of the embodiments described above, the
コーティング層がコールドスプレー法により形成されたものであるか否かの判断は、コーティング層の断面を電子顕微鏡により観察することで行うことができる。即ち、電子顕微鏡により断面を観察したときに、第二の金属同士が扁平形状に堆積している状態、即ち、第二の金属の組織が一様ではなく、金属組織同士の界面を確認できれば、コーティング層はコールドスプレー法により形成されたと判断することができる。 Whether or not the coating layer is formed by the cold spray method can be determined by observing a cross section of the coating layer with an electron microscope. That is, when the cross section is observed with an electron microscope, the second metals are deposited in a flat shape, that is, if the structure of the second metal is not uniform and the interface between the metal structures can be confirmed, It can be determined that the coating layer was formed by a cold spray method.
また、コーティング層は、めっき法やコールドスプレー法以外にも、例えば溶射法により形成することもできる。溶射法によりコーティング層を形成する場合、コーティング層を構成する第二の金属は、溶融した状態で金属基材に衝突することになる。衝突した後の第二の金属同士は接合する傾向にある。従って、電子顕微鏡を用いて断面を観察すると、第二の金属の組織は観察可能なものの、コールドスプレー法によって形成した場合と比べて、金属組織同士の界面はすこしぼやけることになる。従って、金属組織同士の界面の様子により、コーティング層は、コールドスプレー法により形成されたものであるのか、又は溶射法により形成されたものであるのかを判断することができる。 Further, the coating layer can be formed by, for example, a thermal spraying method other than the plating method and the cold spray method. When forming a coating layer by a thermal spraying method, the 2nd metal which comprises a coating layer will collide with a metal base material in the molten state. The second metals after colliding tend to join. Therefore, when the cross section is observed using an electron microscope, the second metal structure can be observed, but the interface between the metal structures is slightly blurred as compared with the case where the second metal structure is formed by the cold spray method. Therefore, whether the coating layer is formed by the cold spray method or the thermal spray method can be determined from the state of the interface between the metal structures.
さらに、コーティング層は、例えばクラッド材を用いて形成してもよい。クラッド材は第二の金属を押圧することで得られるが、第二の金属を衝突させるコールドスプレー法や溶射法等とは、電子顕微鏡により観察される断面における金属組織の様子が異なる。従って、このようして、コーティング層がクラッド材を用いて形成されたものであるか否かを判断することができる。 Further, the coating layer may be formed using a clad material, for example. The clad material is obtained by pressing the second metal, but the state of the metal structure in the cross section observed by an electron microscope is different from the cold spray method or the thermal spray method in which the second metal collides. Therefore, in this way, it can be determined whether or not the coating layer is formed using a clad material.
また、前記の各実施形態では、混合溶融凝固部4を形成するためにレーザ光を用いたが、レーザ光に代えて電子ビームを用いてもよい。さらに、これらの他にも、混合溶融凝固部4及び金属間化合物層5を形成可能な方法であれば、どのような方法を用いてもよい。
In each of the above-described embodiments, the laser beam is used to form the mixed molten and solidified
さらに、前記の各実施形態では、レーザ光の照射の都度、第三の金属(銅やマルエージング鋼)を配置固定したが、これらは、レーザ光の照射の都度、配置固定されてなくてもよい。即ち、例えば3次元プリンタ等を用いてレーザ光等の焦点を調整することで、例えば、初めに一度のみ配置された第三の金属中に、任意の形状の積層構造物6を形成することもできる。この場合、第三金属配置工程は一度のみ行われ、混合溶融・合金層形成工程は複数回行われることになる。従って、本実施形態では、混合溶融・合金層形成工程は繰り返し行われ、一方で、第三金属配置工程は一度又は複数回(繰り返し)行われることになる。
Further, in each of the above-described embodiments, the third metal (copper or maraging steel) is arranged and fixed every time the laser beam is irradiated, but these may be arranged and fixed each time the laser beam is irradiated. Good. That is, for example, by adjusting the focus of a laser beam or the like using a three-dimensional printer or the like, for example, it is possible to form a
1 伝熱板(金属基材)
2 めっき層(コーティング層)
3 金属粉末(第三の金属)
4 混合溶融凝固部
5 金属間化合物層
6 積層構造物
10 電流変換素子
11 水冷フィン(積層構造物)
12 水(冷媒)
13 重ね溶接部
14 突合せ溶接部
15 アルミケース
16 アルミ蓋
21 ベース板(金属基材)
22 水冷流路
25 金型成型部(積層構造物)
100 異種金属接合構造物
110 水冷電力変換素子(異種金属接合構造物)
120 冷却金型(異種金属接合構造物)
1 Heat transfer plate (metal substrate)
2 Plating layer (coating layer)
3 Metal powder (third metal)
4 Mixed Melting and Solidifying
12 Water (refrigerant)
13 Lap welded
22 Water-cooled
100 Dissimilar metal joint structure 110 Water-cooled power conversion element (dissimilar metal joint structure)
120 Cooling mold (dissimilar metal joint structure)
Claims (11)
前記金属基材上に形成され、第二の金属により構成されるコーティング層と、
前記金属基材と前記コーティング層との間に形成され、前記第一の金属と前記第二の金属とが合金化してなる金属間化合物層と、
前記コーティング層上に形成され、前記第二の金属と前記第三の金属とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部が、前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物と、を備えることを特徴とする、異種金属接合構造物。 A metal substrate composed of a first metal;
A coating layer formed on the metal substrate and composed of a second metal;
An intermetallic compound layer formed between the metal substrate and the coating layer, wherein the first metal and the second metal are alloyed;
A laminated structure in which a plurality of mixed molten and solidified portions formed on the coating layer and mixed and melted with the second metal and the third metal are stacked in a direction perpendicular to the metal substrate. A dissimilar metal joint structure characterized by comprising:
前記積層構造物の下方以外の部分においては、前記金属基材と前記コーティング層とは直接接触していることを特徴とする、請求項1又は2に記載に異種金属接合構造物。 The intermetallic compound layer is formed between the metal substrate and the coating layer below the laminated structure,
3. The dissimilar metal bonded structure according to claim 1, wherein the metal substrate and the coating layer are in direct contact with each other at a portion other than the lower side of the laminated structure.
前記第二の金属はニッケルであり、
前記第三の金属は銅であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の異種金属接合構造物。 The first metal is aluminum;
The second metal is nickel;
The dissimilar metal bonding structure according to claim 1 or 2, wherein the third metal is copper.
前記第三金属配置工程において配置された前記第三の金属の側から、前記第三の金属に対してレーザ光を照射することで前記第三の金属と前記第二の金属とを混合溶融させて混合溶融凝固部を形成するとともに、前記レーザ光の照射によって生じる熱によって、前記コーティング層を構成する前記第二の金属と前記金属基材を構成する第一の金属とを合金化させて金属間化合物層を形成する混合溶融・合金層形成工程と、
第三金属配置工程及び前記混合溶融・合金層形成工程をそれぞれ行うことで、前記混合溶融凝固部が前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物を形成する積層工程と、を含むことを特徴とする、異種金属接合構造物の製造方法。 A third metal disposing step of disposing a third metal on the metal substrate on which the coating layer composed of the second metal is formed;
The third metal and the second metal are mixed and melted by irradiating the third metal with laser light from the third metal side arranged in the third metal arranging step. Forming a mixed melt solidified portion and alloying the second metal constituting the coating layer and the first metal constituting the metal substrate by heat generated by the irradiation of the laser beam. A mixed melting / alloy layer forming step of forming an intermetallic compound layer;
A lamination step of forming a laminated structure in which a plurality of the mixed molten and solidified portions are laminated in a direction perpendicular to the metal base by performing a third metal arranging step and the mixed melting / alloy layer forming step, respectively. The manufacturing method of the dissimilar metal joining structure characterized by including these.
前記金属間化合物層は、前記混合溶融凝固部の下方において前記金属基材と前記コーティング層との間に形成され、
前記混合溶融凝固部の下方以外の部分においては、前記金属基材と前記コーティング層とは直接接触するようになっていることを特徴とする、請求項8に記載に異種金属接合構造物の製造方法。 In the mixed melting / alloy layer forming step,
The intermetallic compound layer is formed between the metal substrate and the coating layer below the mixed melt-solidified part,
The manufacturing method for a dissimilar metal joint structure according to claim 8, wherein the metal base and the coating layer are in direct contact with each other at a portion other than the lower portion of the mixed molten and solidified portion. Method.
前記金属基材上に形成され、第二の金属により構成されるコーティング層と、
前記金属基材と前記コーティング層との間に形成され、前記第一の金属と前記第二の金属とが合金化してなる金属間化合物層と、
前記コーティング層上に形成され、前記第二の金属と前記第三の金属とが混合溶融されてなる混合溶融凝固部が、前記金属基材に対して垂直な方向に複数積層されてなる積層構造物と、を備える異種金属接合構造物と、
前記金属部材に対して熱的に接触している電力変換素子と、を備え、
前記積層構造物には、前記電力変換素子を冷却する冷媒が接触していることを特徴とする、水冷電力変換素子。 A metal substrate composed of a first metal;
A coating layer formed on the metal substrate and composed of a second metal;
An intermetallic compound layer formed between the metal substrate and the coating layer, wherein the first metal and the second metal are alloyed;
A laminated structure in which a plurality of mixed molten and solidified portions formed on the coating layer and mixed and melted with the second metal and the third metal are stacked in a direction perpendicular to the metal substrate. A dissimilar metal joint structure comprising:
A power conversion element in thermal contact with the metal member,
A water-cooled power conversion element, wherein the laminated structure is in contact with a refrigerant that cools the power conversion element.
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