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文檔簡介

1、第三章 各種特種加工技術(shù)簡介3.1電解加工1.電解加工的基本原理 電解加工就是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的電化學(xué)腐蝕原理對工件進行成形加工的一種方法(也稱電化學(xué)加工)。3.1電解加工1.電解加工的基本原理 圖為電解加工原理圖。工件接陽極,工具(銅或不銹鋼)接陰極,兩極間加(624v)r的直流電壓,工具陰極連續(xù)緩慢均勻向工件進給,極間保持0.11mm間隙。具有一定壓力(0.52MPa)的電解液(1020%的食鹽水)從兩極間隙中高速(560 m/s)流過。陽極工件表面的金屬逐漸按陰極型面的形狀溶解電解產(chǎn)物被高速電解液帶走,于是在工件表面上加工出與陰極型面基本相似的形狀。2.電解加工的工藝特點(

2、1)電解加工能以簡單的進給運動,一次加工出形狀復(fù)雜的型面和型腔(如鍛模、葉片等);(2)可加工高硬度、高強度和高韌性等難切削的金屬材料,如淬火鋼、高溫合金等;(3)加工型面和型腔的效率比電火花加工高510倍;(4)加工中無機械切削力或切削熱,加工面質(zhì)量好、無殘余應(yīng)力和毛刺;2.電解加工的工藝特點(5)加工中陰極損耗小,一般可加工上千個零件;(6)因影響電解加工的因素很多,故難于實現(xiàn)高精度的穩(wěn)定加工。尺寸精度低于電火花加工,且不易控制,一般型孔加工為:0.030.05mm,型腔加工為0.050.2mm;(7)電解液對機床有腐蝕作用,設(shè)備費用高,電解產(chǎn)物的處理和回收較困難,污染較嚴(yán)重。3應(yīng)用 能加

3、工各種深孔型孔型腔和復(fù)雜 成型表面.如炮管膛線、葉片型面、模具 型腔與花鍵、異型孔及復(fù)雜零件的薄壁 結(jié)構(gòu)等。 電解去毛刺 電解刻字電解磨削 Electrochemical Grinding 它靠陽極金屬的電化學(xué)溶 解(占95%98%)和機械磨削作用(占2%5%)相結(jié)合進行復(fù)合加工。3.2 超聲波加工1.超聲波加工原理 超聲波比聲波能量大得多,它對其傳播方向上的障礙物產(chǎn)生很大的壓力,能量強度可達幾十瓦到幾百瓦每平方厘米,因此用超聲波可進行機械加工。超聲波加工正是利用超聲振動(16kHz-30kHz)的工具沖擊磨料對工件進行加工的一種方法,其加工原理如圖所示。 超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲頻電振蕩,由能量

4、轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l機械振動。機械振動的振幅很小,不能用來進行機械加工,需要再通過振幅擴大棒將振幅擴大。 加工時,工具固定在振幅擴大棒端頭,獲得超聲頻機械振動,在工具與工件之間不斷地注入懸浮液,當(dāng)工具與工件接觸時,由于工具高速沖擊懸浮液,使懸浮液中的液體分子及固體磨粒以極高的速度沖擊工件被加工面,沖擊加速度可達重力加速度的一萬倍左右,在加工面上產(chǎn)生很大的瞬間壓力,通過磨料的作用使工件局部材料破碎成粉末被打擊下來。與此同時,由于懸浮液的擾動,磨料還以很高的速度和頻率拋光研磨工件的加工面。懸浮液的循環(huán)流動,可使磨料不斷更新,并帶走被粉碎下來的材料微粒,工具逐漸向工件伸入,工具形狀就可復(fù)制在工件上

5、。 工具材料常用不淬火的45鋼。工具的形狀和尺寸應(yīng)比被加工面的形狀和尺寸相差一個“加工間隙”。磨料常用碳化硼、碳化硅、氧化鋁或金剛石粉等。工具振動頻率一般選擇在1625kHz,工具端部的振幅一般是2080m。2.超聲波加工的特點 (1) 超聲波加工主要適于加工各種硬脆材料,特別是不導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料,如玻璃、陶瓷、寶石、金剛石等。對于難以切削加工的高硬度、高強度的金屬材料,如淬火鋼、硬質(zhì)合金等,也可加工,但效率較低。因為超聲波加工主要是靠磨粒的沖擊作用,材料越硬、越脆加工效率越高,對于韌性好的材料,由于緩沖作用大則不易加工; (2)易于加工各種形狀復(fù)雜的型孔、型腔和成形表面,也可進行套料、切

6、割和雕刻等; (3)對工件的宏觀作用力小、熱影響小,可加工某些不能承受較大切削力的薄壁、薄片等零件; (4)工具材料的硬度可低于工件硬度; (5)超聲波加工能獲得較好的加工質(zhì)量。尺寸精度可達0.010.05mm,表面粗糙度Ra值為0.40.1m。 3. 應(yīng)用 不導(dǎo)電硬脆材料、也可加工各種高硬度與高強度的金屬材料。 要求較高的模具的拋磨精加工。各種圓孔、型孔、型腔、溝槽、異形貫通孔、彎曲孔、微細孔、套料等。 3.3 離子束加工 IBM1 基本原理 離子束加工是在真空條件下,將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)加速與聚焦,使之打到工件表面。離子帶正電荷,其質(zhì)量比電子大千、萬倍,比電子束具有更大的撞擊動能,它是靠

7、微觀的機械撞擊能量而不是靠動能轉(zhuǎn)化為熱能來加工的。 加速到1萬幾萬電子伏特-離子銑削 加速到幾十萬電子伏特-離子鍍膜 -離子注入氬 2 特點 離子束流密度與離子能量可精確控制,可進行“原子級加工”或“毫微米級加工”,是所有特種加工方法中最精密最微細的加工方法,是當(dāng)代毫微米加工技術(shù)的基礎(chǔ). 在真空中加工,污染少,工件材料不易氧化. 加工應(yīng)力與變形極小,質(zhì)量高. 設(shè)備費用貴,加工效率低,應(yīng)用受到一定限制. 3. 應(yīng)用 (1)刻蝕加工 離子刻蝕加工是逐個原子剝離的過程,剝離速度大約每秒一層到幾十層原子。離子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡。離子束還可用于刻蝕集成

8、電路等器件的高精度圖形。 (2)鍍膜加工 熱應(yīng)力少,結(jié)合力強,膜層不易脫落。離子鍍鍍層組織細密,針孔氣泡少。 離子鍍可在金屬或非金屬表面上鍍制金屬或非金屬材料,已用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨損膜、裝飾膜和電氣膜等。(3)注入加工 離子注入是向工件表面直接注入離子,注入量可精確控制,深度可達以上。離子注入在半導(dǎo)體方面得到了廣泛的應(yīng)用。用硼、磷等“雜質(zhì)”離子注入半導(dǎo)體材料可以改變導(dǎo)電型式成P型或型,可制造出一些通常熱擴散難以得到的、各種特殊要求的半導(dǎo)體器件。離子注入還可以顯著改善金屬表面的耐蝕、耐磨和潤滑性能。 4. 電子束技術(shù)應(yīng)用 (1)電子束焊接 (2)電子束表面改性 (3)電子束固化

9、 3.4 砂帶磨削 利用高速運轉(zhuǎn)的環(huán)形砂帶加工工件表面的磨削。一般在砂帶磨床上進行。 砂帶圍繞在具有一定彈性的壓輪和張緊輪上,由壓輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)作連續(xù)切削運動,工件放在傳送帶或工作臺上作進給運動。當(dāng)工件接觸砂帶或通過壓輪下的磨削區(qū)時,即被砂帶磨去表面的一層材料. 砂帶磨削具有許多其它磨削加工方式所不具備的優(yōu)勢:磨削效率高達96%,是所有磨削加工方式中最高的;磨削比高(比砂輪磨削高10倍以上);可實現(xiàn)磨削、研磨、拋光等多重加工效果,加工精度高,表面質(zhì)量好;磨削力和磨削振動較小,機床、磨頭結(jié)構(gòu)及加工工藝簡單,加工成本低。 使用砂輪進行數(shù)控磨削時,需對砂輪進行修整和補償(與在數(shù)控車床上進行“刀補”類似)

10、,這就需要在數(shù)控機床上設(shè)置昂貴的電子對刀測頭,對機床精度也提出了更高要求。而采用砂帶磨削工藝只需事先精確測定磨頭上接觸輪的位置,設(shè)計好砂帶厚度,使用時定期更換砂帶即可實現(xiàn)加工。 目前工業(yè)發(fā)達國家采用砂帶磨削已占磨削加工總量的30%左右。所用砂帶品種繁多、規(guī)格各異,幾乎可適用于所有材料的加工。雖然砂帶磨削工藝在國內(nèi)尚未普及,但已形成了一定水平的砂帶生產(chǎn)能力;清華大學(xué)、重慶大學(xué)等高校與一些機床廠合作研制了多種砂帶磨削機床,具備了較強的砂帶磨頭研制能力。由于陶瓷刀片的生產(chǎn)量大面廣,因此用砂帶磨削工藝取代砂輪磨削工藝加工陶瓷刀片具有良好的經(jīng)濟、技術(shù)效益。 3.5 激光加工1.激光加工的基本原理 激光是

11、一種亮度高、方向性好、單色性好的相干光。由于激光發(fā)散角小和單色性好,理論上可通過一系列裝置把激光聚焦成直徑與光的波長相近的極小光斑,加上亮度高,其焦點處的功率密度可達1071011wcm2,溫度高達萬度左右,在此高溫下,任何堅硬的或難加工的材料都將瞬時急劇熔化和氣化,并產(chǎn)生強烈的沖擊波,使熔化的物質(zhì)爆炸式地噴射出去,這就是激光加工的工作原理。 圖是利用固體激光器加工的原理示意圖。當(dāng)激光工作物質(zhì)(如紅寶石、釹玻璃和摻釹釔鋁石榴石等)受到光泵(即激勵脈沖氙燈)的激發(fā)后,吸收特定波長的光,在一定條件下可形成工作物質(zhì)中的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于低能級粒子數(shù)的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。此時,一旦有少數(shù)激發(fā)粒

12、子自發(fā)輻射發(fā)出光子,即可感應(yīng)所有其它激發(fā)粒子產(chǎn)生受激輻射躍遷,造成光放大。并通過諧振腔的反饋作用產(chǎn)生振蕩,由諧振腔一端輸出激光。通過透鏡將激光束聚焦到待加工表面上,即可對工件進行加工。1全反射鏡2工作物質(zhì) 3光泵 4部分反射鏡 5透鏡 6 工件 2.特點(1)光點小,強度高、能量集中,熱影響區(qū)小。(2)不受電磁干擾,與電子束加工相比應(yīng)用更 方便。(3)激光束易于聚焦導(dǎo)向,光束可聚到0.00lmm, 便于自動化控制。(4)不接觸加工工件,對工件變形小。(5)加工材料范圍廣??杉庸ぬ沾?、玻璃、 寶石、金剛石、硬質(zhì)合金、石英等各種金 屬和非金屬材料,特別是難加工材料。 (6)加工性能好。工件可以離開

13、加工機械而透過透 明材料加工,不需要真空。 (7)價格比較昂貴。另外激光對人體有害,應(yīng)采取 防護措施。3.應(yīng)用(1)激光焊接(2)激光打孔:孔徑0.011mm.(3)激光切割:厚度大,割縫寬度僅為 0.10.2mm.一、激光焊接是一種材料連接,主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。一、激光焊接是一種材料連接,主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。 其優(yōu)點:其優(yōu)點:應(yīng)用之一:激光焊接應(yīng)用之一:激光焊接1 1)用激光很容易對一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強)用激光很容易對一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強的材料實施焊接。的材料實施焊接。 2 2)在激光焊接過程中無機械接觸)在

14、激光焊接過程中無機械接觸, ,易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形易保證焊接部位不因熱壓縮而發(fā)生變形 3 3)激光束易于控制的特點使得焊接工作能夠更方便的實現(xiàn)自動化和智能化。)激光束易于控制的特點使得焊接工作能夠更方便的實現(xiàn)自動化和智能化。 二、下圖所示為一種顯象管陰極芯的激光焊接設(shè)備原理。二、下圖所示為一種顯象管陰極芯的激光焊接設(shè)備原理。 圖圖 陰極芯的激光焊接設(shè)備原理圖陰極芯的激光焊接設(shè)備原理圖 1:1:光束分束器;光束分束器;2:2:聚焦透鏡;聚焦透鏡;3 3:陰極芯:陰極芯應(yīng)用之一:激光焊接應(yīng)用之一:激光焊接三、激光熱導(dǎo)焊三、激光熱導(dǎo)焊 1 1)激光熱導(dǎo)焊的原理激光熱導(dǎo)焊的原理2 2)激

15、光熱導(dǎo)焊的工藝以及部分參數(shù)激光熱導(dǎo)焊的工藝以及部分參數(shù)熱導(dǎo)焊時,激光輻射能量作用于材料表面,激光輻射能在表面轉(zhuǎn)化為熱量。表面熱導(dǎo)焊時,激光輻射能量作用于材料表面,激光輻射能在表面轉(zhuǎn)化為熱量。表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散,使材料熔化,在兩材料連接區(qū)的部分形成溶池。溶熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散,使材料熔化,在兩材料連接區(qū)的部分形成溶池。溶池隨著激光束一道向前運動,溶池中的熔融金屬并不會向前運動。池隨著激光束一道向前運動,溶池中的熔融金屬并不會向前運動。 激光熱導(dǎo)焊的連接形式:片狀工件的焊接形式有對焊、端焊、中心穿透熔化焊激光熱導(dǎo)焊的連接形式:片狀工件的焊接形式有對焊、端焊、中心穿透熔化焊 激光功率密

16、度:激光功率密度低則熔深淺、焊接速度慢。見下圖。激光功率密度:激光功率密度低則熔深淺、焊接速度慢。見下圖。圖圖 激光熱導(dǎo)焊焊接不銹鋼時功率與焊接激光熱導(dǎo)焊焊接不銹鋼時功率與焊接速度、熔化深度的關(guān)系速度、熔化深度的關(guān)系應(yīng)用之一:激光焊接應(yīng)用之一:激光焊接三、激光熱導(dǎo)焊三、激光熱導(dǎo)焊 2 2)激光熱導(dǎo)焊的工藝以及部分參數(shù)激光熱導(dǎo)焊的工藝以及部分參數(shù)脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖寬度:脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖寬度:脈沖寬度影響到焊接熔深,熱影響區(qū)的寬度等脈沖寬度影響到焊接熔深,熱影響區(qū)的寬度等焊接的質(zhì)量要求。脈寬時間長,焊接熔深熱影響區(qū)都大,反之則小。因此,要焊接的質(zhì)量要求。脈寬時間長,焊接熔深熱影響區(qū)都大,反之

17、則小。因此,要根據(jù)激光功率的大小,要求的焊接熔深和熱影響區(qū)的寬度大小來適當(dāng)選擇脈沖根據(jù)激光功率的大小,要求的焊接熔深和熱影響區(qū)的寬度大小來適當(dāng)選擇脈沖寬度。寬度。 離焦量對焊接質(zhì)量的影響:離焦量對焊接質(zhì)量的影響:因為焦點處激光光斑中心的光功率密度過高,激因為焦點處激光光斑中心的光功率密度過高,激光熱導(dǎo)焊通常需要一定的離焦量,使得光功率分布相對均勻。光熱導(dǎo)焊通常需要一定的離焦量,使得光功率分布相對均勻。 正離焦:焦平面位于工件上方;負(fù)離焦:焦平面位于工件下方正離焦:焦平面位于工件上方;負(fù)離焦:焦平面位于工件下方 脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖波形:脈沖激光熱導(dǎo)焊的脈沖波形:脈沖波形對于焊接質(zhì)量也有很大的影

18、響脈沖波形對于焊接質(zhì)量也有很大的影響應(yīng)用之一:激光焊接應(yīng)用之一:激光焊接四、激光深熔焊四、激光深熔焊 1 1)激光深熔焊的原理激光深熔焊的原理2 2)激光深熔焊工藝參數(shù)激光深熔焊工藝參數(shù)3 3)激光焊接過程中的幾種效應(yīng)激光焊接過程中的幾種效應(yīng)五、激光焊的優(yōu)點五、激光焊的優(yōu)點 當(dāng)激光功率密度達到當(dāng)激光功率密度達到10106 610107 7WWcmcm2 2時,功率輸入遠大于熱傳導(dǎo)、對流及輻射時,功率輸入遠大于熱傳導(dǎo)、對流及輻射散熱的速率,材料表面發(fā)生汽化而形成小孔(如圖所示),孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與散熱的速率,材料表面發(fā)生汽化而形成小孔(如圖所示),孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四周液體的靜力和表面張力形成動

19、態(tài)平衡,激光可以通過孔中直射到孔底。四周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡,激光可以通過孔中直射到孔底。 臨界功率密度:臨界功率密度:深熔焊時,功率密度必須大于某深熔焊時,功率密度必須大于某一數(shù)值,才能引起小孔效應(yīng)。這一數(shù)值,稱為臨界一數(shù)值,才能引起小孔效應(yīng)。這一數(shù)值,稱為臨界功率密度功率密度 圖圖 深熔焊深熔焊小小孔示意圖孔示意圖 激光深熔焊的熔深激光深熔焊的熔深 :激光深熔焊熔深與激光輸出激光深熔焊熔深與激光輸出功率密度密切相關(guān),也是功率和光斑直徑的函數(shù)功率密度密切相關(guān),也是功率和光斑直徑的函數(shù)。 應(yīng)用之二:激光打孔應(yīng)用之二:激光打孔一、激光打孔原理一、激光打孔原理 激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)包括

20、激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)包括激光器、加工頭、冷卻系統(tǒng)、數(shù)控裝置和操作面盤(如圖所示)。(如圖所示)。 二、激光打孔工藝參數(shù)的影響二、激光打孔工藝參數(shù)的影響 脈沖寬度對打孔的影響脈沖寬度對打孔的影響 :脈沖寬度對打孔深度、孔徑、孔形的影響較大。窄脈沖寬度對打孔深度、孔徑、孔形的影響較大。窄脈沖能夠得到較深而且較大的孔;寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小,而且使孔脈沖能夠得到較深而且較大的孔;寬脈沖不僅使孔深度、孔徑變小,而且使孔的表面粗糙度變大,尺寸精度下降。的表面粗糙度變大,尺寸精度下降。圖圖 激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)示意圖激光打孔機的基本結(jié)構(gòu)示意圖應(yīng)用之二:應(yīng)用

21、之二: 激光打孔激光打孔二、激光打孔工藝參數(shù)的影響二、激光打孔工藝參數(shù)的影響 激光打孔中離焦量對打孔的影響激光打孔中離焦量對打孔的影響當(dāng)激光聚焦于材料上表面時,打出的孔比較深,錐度較小。在焦點處于表面下某一當(dāng)激光聚焦于材料上表面時,打出的孔比較深,錐度較小。在焦點處于表面下某一位置時相同條件下打出的孔最深;而過分的入焦和離焦都會使得激光功率密度大大位置時相同條件下打出的孔最深;而過分的入焦和離焦都會使得激光功率密度大大降低,以至打成盲孔(如圖所示)。降低,以至打成盲孔(如圖所示)。 圖圖 離焦量對打孔質(zhì)量的影響離焦量對打孔質(zhì)量的影響應(yīng)用之二:應(yīng)用之二: 激光打孔激光打孔二、激光打孔工藝參數(shù)的影

22、響二、激光打孔工藝參數(shù)的影響 被加工材料對打孔的影響被加工材料對打孔的影響 脈沖激光的重復(fù)頻率對打孔的影響脈沖激光的重復(fù)頻率對打孔的影響用調(diào)用調(diào)QQ方法取得巨脈沖時,脈沖的平均功率基本不變,脈寬也不變,重復(fù)頻率越高方法取得巨脈沖時,脈沖的平均功率基本不變,脈寬也不變,重復(fù)頻率越高,脈沖的峰值功率越小,單脈沖的能量也越小。這樣打出的孔深度要減小。,脈沖的峰值功率越小,單脈沖的能量也越小。這樣打出的孔深度要減小。 材料對激光的吸收率直接影響到打孔的效率。由于不同材料對不同激光波長有不同材料對激光的吸收率直接影響到打孔的效率。由于不同材料對不同激光波長有不同的吸收率,必須根據(jù)所加工的材料性質(zhì)選擇激光

23、器。的吸收率,必須根據(jù)所加工的材料性質(zhì)選擇激光器。 應(yīng)用之三:激光切割應(yīng)用之三:激光切割一、激光切割的原理與特點一、激光切割的原理與特點 1 1、切割過程中激光光束聚焦成很小的光點(最小直徑可小于切割過程中激光光束聚焦成很小的光點(最小直徑可小于0.1mm0.1mm)使焦點處)使焦點處達到很高功率密度(可超過達到很高功率密度(可超過10106 6W/cmW/cm2 2)。)。如圖所示為激光切割頭的結(jié)構(gòu),除了如圖所示為激光切割頭的結(jié)構(gòu),除了透鏡以外它還有一個噴出輔助氣體流的同軸噴嘴透鏡以外它還有一個噴出輔助氣體流的同軸噴嘴。 2 2、激光切割的特點:、激光切割的特點: 圖圖 激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意

24、圖激光切割頭的結(jié)構(gòu)示意圖應(yīng)用之三:應(yīng)用之三: 激光切割激光切割二、激光切割分類及其機理二、激光切割分類及其機理 激光功率激光功率: : 激光切割時所需功率的大小,是由材料性質(zhì)和切割機理決定的。激光切割時所需功率的大小,是由材料性質(zhì)和切割機理決定的。 三、激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律三、激光切割的工藝參數(shù)及其規(guī)律 汽化切割汽化切割: :工件在激光作用下快速加熱至沸點,部分材料化作蒸汽逸去,部分工件在激光作用下快速加熱至沸點,部分材料化作蒸汽逸去,部分材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機制所需激光功率密度一般為材料為噴出物從切割縫底部吹走。這種切割機制所需激光功率密度一般為10108 8/cm/

25、cm2 2左右,是無熔化材料的切割方式左右,是無熔化材料的切割方式 熔化切割熔化切割: : 激光將工件加熱至熔化狀態(tài),與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流激光將工件加熱至熔化狀態(tài),與光束同軸的氬、氦、氮等輔助氣流將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為將熔化材料從切縫中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般為10107 7/cm/cm2 2左右左右 氧助熔化切割氧助熔化切割: : 金屬被激光迅速加熱至燃點以上,與氧發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)金屬被激光迅速加熱至燃點以上,與氧發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)(即燃燒),放出大量的熱,又加熱下一層金屬,金屬被繼續(xù)氧化,并借助氣體(即燃燒),放出大量的熱,又加熱下一層金屬,金屬被繼續(xù)氧化,并借助氣體壓力將氧化物從切縫中吹掉。壓力將氧化物從切縫中

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