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航空航天鋁合金焊絲的開發(fā)及應(yīng)用
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.bt990.com.cn
更新時(shí)間：2015-03-27
航空航天鋁合金焊絲：BJ-380、BJ-380A、BJ-380B、5B06、4043、Al-Mn、ER2319鋁銅合金焊絲
一.鋁合金具有比強(qiáng)度較高、制造工藝性好、成本低的特點(diǎn)，是航天產(chǎn)品的首選結(jié)構(gòu)材料。運(yùn)載火箭貯箱、衛(wèi)星貯箱、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈殼體等采用鋁合金焊接而成。鋁合金焊絲是鋁合金焊接所必需的填充材料，是決定焊縫質(zhì)量的因素之一，在航天鋁合金焊接生產(chǎn)中占有重要地位。
不同的鋁合金需要有不同的配用焊絲，我國航天常用鋁合金及其配用焊絲的對應(yīng)關(guān)系見表1。主要的航天鋁合金焊絲有BJ-380系列和5B06焊絲，用于運(yùn)載火箭貯箱、衛(wèi)星貯箱、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈殼體的焊接生產(chǎn)。
BJ-380系列焊絲由BJ-380、BJ-380A、BJ-380B組成。BJ-380焊絲是由航天材料及工藝研究所和北京有色所在60年代針對2A14鋁合金研制的，所焊接頭具有良好的常溫、低溫性能，基本解決了2A14合金的焊接難題。但BJ-380焊絲所焊焊縫存在“存放裂紋”問題，80年代由航天材料及工藝研究所和北京有色所合作研發(fā)了抗裂性更好、能解決“存放裂紋”的BJ-380A焊絲，但BJ-380A焊絲的低溫性能較差，無法用于低溫貯箱焊接生產(chǎn)，為此，仍采用BJ-380焊絲焊接低溫貯箱，采用BJ-380A焊絲焊接常溫貯箱。在地面設(shè)備厚板2A14合金MIG焊接生產(chǎn)中，BJ-380、BJ-380A焊絲均發(fā)現(xiàn)焊接裂紋，航天材料及工藝研究所和北京有色所再次合作研發(fā)了適合于厚板2A14合金MIG焊接的BJ-380B焊絲。
本文對BJ-380系列和5B06焊絲的現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并對航天鋁合金焊絲發(fā)展方向進(jìn)行展望。
2現(xiàn)狀
1）生產(chǎn)現(xiàn)狀
鋁合金焊絲生產(chǎn)流程為：熔鑄—扒皮—擠壓—拉拔（多次）—退火（多次）—油封（或表面光亮化）—包裝。焊絲有兩種供貨方式：（1）以半硬狀態(tài)，表面油封供貨，焊前須酸洗；（2）以半硬狀態(tài)，光亮表面供貨，焊前不須酸洗。主要的焊絲品種見表2。
油封焊絲焊前必須酸洗，去除表面油污和氧化膜。一般適合于手工焊，用于自動(dòng)焊時(shí)焊縫質(zhì)量不易保證，易出現(xiàn)焊縫氣孔、焊接夾雜缺陷。酸洗焊絲表面從微觀看存在很多凹坑，附有腐蝕產(chǎn)物，易吸附水分，圖1為焊絲酸洗表面和光亮表面的照片圖，可明顯看出酸洗表面的不良狀況，而光亮表面則具有明顯優(yōu)勢。酸洗焊絲手工焊時(shí)可利用刮削方法去除表面凹坑附著物以保證焊縫質(zhì)量。自動(dòng)焊時(shí)由于焊絲必須以盤狀安裝在焊機(jī)送絲機(jī)構(gòu)上，酸洗后表面刮削非常困難，酸洗焊絲不推薦用于自動(dòng)焊。光亮焊絲用于手工焊可省去焊前酸洗和刮削，更為方便。
油封焊絲的保存期為長期，光亮焊絲的保存期一般為1年，過期光亮焊絲可作為普通焊絲焊前酸洗使用。
BJ-380焊絲由于Ti、Zr含量超過在鋁中的理論固溶度，易產(chǎn)生Ti、Zr偏析，焊絲生產(chǎn)成品率很低。BJ-380A、BJ-380B、5B06焊絲成分設(shè)計(jì)合理，焊絲生產(chǎn)成品率正常。油封時(shí)所有焊絲規(guī)格均以盤狀供貨，光亮焊絲φ1.2、φ1.6、φ2.4以盤狀供貨，φ3.0、φ4.0、φ5.0以直絲供貨。
2）應(yīng)用情況
2A14合金是目前我國運(yùn)載火箭貯箱主體結(jié)構(gòu)材料，配用焊絲共有三種，5A06合金用于部分貯箱主體結(jié)構(gòu)材料，配用焊絲為5B06，應(yīng)用情況見表3。
BJ-380焊絲生產(chǎn)應(yīng)用解決了2A14鋁合金焊接難題，是我國第一代航天鋁合金焊絲，保證了航天鋁合金焊接生產(chǎn)，但它也存在一些問題，主要表現(xiàn)為：（1）焊絲Ti、Zr成分易偏析，焊絲合格率較低，Ti、Zr偏析處可能引發(fā)焊接缺陷；（2）焊絲中易有夾雜物，導(dǎo)致焊縫表面發(fā)黑，出現(xiàn)臟物；（3）焊絲氫含量偏高，易出現(xiàn)焊縫氣孔。為改善BJ-380焊絲，研制了BJ-380A、BJ-380B焊絲，目前生產(chǎn)應(yīng)用較為穩(wěn)定，BJ-380A焊絲焊接2A14合金時(shí)補(bǔ)焊處有時(shí)會(huì)出現(xiàn)焊接裂紋，這種裂紋為焊接液化裂紋，必須排除，否則會(huì)降低貯箱的可靠性。由于BJ-380焊絲所焊接頭的低溫性能優(yōu)于BJ-380A焊絲所焊接頭性能，運(yùn)載火箭低溫貯箱仍采用BJ-380焊絲。5B06焊絲應(yīng)用最為穩(wěn)定成熟，生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題多為氣孔、夾雜。
3 展望
為提高焊接質(zhì)量，對現(xiàn)在成熟應(yīng)用的焊絲，如5B06、BJ-380A和BJ-380B焊絲，工作重點(diǎn)應(yīng)放在解決氫含量和夾雜物問題上，發(fā)展低氫高純焊絲。
航天鋁合金焊接中最常見的焊接缺陷是焊縫氣孔，有資料顯示，焊縫氣孔缺陷占所有缺陷的70%以上，超標(biāo)氣孔的補(bǔ)焊會(huì)帶來許多新的缺陷，如采用BJ-380A焊絲補(bǔ)焊2A14合金經(jīng)常出現(xiàn)液化裂紋，可見控制焊縫氣孔的重要性。影響焊縫氣孔因素很多，除工藝因素、母材因素外，焊絲含氫量是一個(gè)重要因素，焊絲中的氫會(huì)直接進(jìn)入熔池形成焊縫氣孔。為此，制造低氫焊絲非常重要，一般氫含量應(yīng)控制在0.2ml/100g金屬以下。
焊絲中的夾雜物會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生夾雜或焊縫表面產(chǎn)生臟物，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。焊絲生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中雖有低倍組織檢查控制夾雜物的要求，但實(shí)際工作中很難通過低倍組織檢查查出夾雜物?？刂其X合金焊絲夾雜物應(yīng)控制鑄造和拔絲兩個(gè)環(huán)節(jié)，鑄錠質(zhì)量決定焊絲質(zhì)量，拔絲工藝不良也會(huì)導(dǎo)致外來物裹入焊絲中形成夾雜。
現(xiàn)有鋁合金焊絲雖然存在諸多問題，但基本保證了現(xiàn)有型號(hào)焊接生產(chǎn)的需求。為了解決現(xiàn)在生產(chǎn)中存在的問題和滿足未來型號(hào)焊接生產(chǎn)的需要，航天鋁合金焊絲將在以下幾方面得到發(fā)展。
1） 生產(chǎn)問題帶來的發(fā)展
BJ—380焊絲存在的問題目前嚴(yán)重困擾著型號(hào)生產(chǎn)，為解決這一問題，航天材料及工藝研究所新研制了一種適合于低溫貯箱焊接的焊絲，牌號(hào)為BJ—380C，以替代BJ—380焊絲。表4為BJ—380C和BJ—380焊絲所焊接頭的性能比較, BJ—380C焊絲具有良好的熔煉性、制絲工藝性、焊接工藝性、抗裂性、介質(zhì)相容性，接頭力學(xué)性能和BJ—380焊絲相當(dāng)，完全可以取代BJ—380焊絲，需要進(jìn)一步做的工作為大型試驗(yàn)件考核。
2） 自動(dòng)焊帶來的發(fā)展
焊接自動(dòng)化程度在航天鋁合金產(chǎn)品焊接中越來越高，對焊絲的要求也相應(yīng)提高。不僅要求焊絲 的挺度（硬度）適合送絲要求，而且要求焊絲表面質(zhì)量較高，不能是酸洗表面，應(yīng)為光亮表面，因?yàn)樗嵯幢砻娌粌H會(huì)帶來腐蝕產(chǎn)物和水分造成夾雜和氣孔，而且送絲機(jī)構(gòu)會(huì)局部刮削焊絲，形成刮削粉末阻塞送絲正常進(jìn)行，中斷焊接過程。因此光亮焊絲將是航天鋁合金焊絲發(fā)展的重要方向。航天材料及工藝研究所在焊絲光亮化研究上做了較多工作，已能生產(chǎn)出BJ—380A、BJ—380B、5B06光亮焊絲，可以滿足航天焊接生產(chǎn)需求。
3） 新材料帶來的發(fā)展
隨著航天新型號(hào)的發(fā)展，新型鋁合金材料將發(fā)揮重大作用。如新一代運(yùn)載火箭擬采用2219鋁合金，天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)貯箱必將采用更先進(jìn)的鋁鋰合金2195或1460，衛(wèi)星貯箱將采用鋁鈧合金，以實(shí)現(xiàn)航天器的輕質(zhì)化，一定會(huì)帶動(dòng)新型焊絲的問世。
2219鋁合金配用焊絲已由航天材料及工藝研究所研制完成，和國外焊絲相比的性能見表5，新研制的焊絲熔煉性好、制絲容易、抗裂性好、焊接工藝性好、接頭性能滿足設(shè)計(jì)要求，完全可以用于新一代運(yùn)載火箭貯箱的焊接生產(chǎn)。
不同的鋁合金需要有不同的配用焊絲，我國航天常用鋁合金及其配用焊絲的對應(yīng)關(guān)系見表1。主要的航天鋁合金焊絲有BJ-380系列和5B06焊絲，用于運(yùn)載火箭貯箱、衛(wèi)星貯箱、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈殼體的焊接生產(chǎn)。
表1 我國航天常用鋁合金及其配用焊絲對應(yīng)關(guān)系
|
焊絲牌號(hào)
|
BJ-380系列
|
5B06
|
4043
|
Al-Mn
|
|
鋁合金牌號(hào)
|
2A14
|
5A06
|
ZL104
|
3A21
|
本文對BJ-380系列和5B06焊絲的現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并對航天鋁合金焊絲發(fā)展方向進(jìn)行展望。
2現(xiàn)狀
1）生產(chǎn)現(xiàn)狀
鋁合金焊絲生產(chǎn)流程為：熔鑄—扒皮—擠壓—拉拔（多次）—退火（多次）—油封（或表面光亮化）—包裝。焊絲有兩種供貨方式：（1）以半硬狀態(tài)，表面油封供貨，焊前須酸洗；（2）以半硬狀態(tài)，光亮表面供貨，焊前不須酸洗。主要的焊絲品種見表2。
油封焊絲焊前必須酸洗，去除表面油污和氧化膜。一般適合于手工焊，用于自動(dòng)焊時(shí)焊縫質(zhì)量不易保證，易出現(xiàn)焊縫氣孔、焊接夾雜缺陷。酸洗焊絲表面從微觀看存在很多凹坑，附有腐蝕產(chǎn)物，易吸附水分，圖1為焊絲酸洗表面和光亮表面的照片圖，可明顯看出酸洗表面的不良狀況，而光亮表面則具有明顯優(yōu)勢。酸洗焊絲手工焊時(shí)可利用刮削方法去除表面凹坑附著物以保證焊縫質(zhì)量。自動(dòng)焊時(shí)由于焊絲必須以盤狀安裝在焊機(jī)送絲機(jī)構(gòu)上，酸洗后表面刮削非常困難，酸洗焊絲不推薦用于自動(dòng)焊。光亮焊絲用于手工焊可省去焊前酸洗和刮削，更為方便。
油封焊絲的保存期為長期，光亮焊絲的保存期一般為1年，過期光亮焊絲可作為普通焊絲焊前酸洗使用。
BJ-380焊絲由于Ti、Zr含量超過在鋁中的理論固溶度，易產(chǎn)生Ti、Zr偏析，焊絲生產(chǎn)成品率很低。BJ-380A、BJ-380B、5B06焊絲成分設(shè)計(jì)合理，焊絲生產(chǎn)成品率正常。油封時(shí)所有焊絲規(guī)格均以盤狀供貨，光亮焊絲φ1.2、φ1.6、φ2.4以盤狀供貨，φ3.0、φ4.0、φ5.0以直絲供貨。
表2 航天鋁合金焊絲主要品種
|
焊絲牌號(hào)
|
供貨狀態(tài)
|
焊絲規(guī)格
|
|
BJ-380
|
表面油封 半硬
|
φ1.2（盤）、
φ1.6（盤）、
φ2.4（盤）、
φ3.0、
φ4.0、
φ5.0
|
|
BJ-380A
|
表面油封 半硬
|
|
|
表面光亮 半硬
|
||
|
BJ-380B
|
表面油封 半硬
|
|
|
表面光亮 半硬
|
||
|
5B06
|
表面油封 半硬
|
|
|
表面光亮 半硬
|
2A14合金是目前我國運(yùn)載火箭貯箱主體結(jié)構(gòu)材料，配用焊絲共有三種，5A06合金用于部分貯箱主體結(jié)構(gòu)材料，配用焊絲為5B06，應(yīng)用情況見表3。
表3 航天鋁合金主要焊絲應(yīng)用情況
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焊絲牌號(hào)
|
應(yīng)用對象
|
焊接方法
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焊絲穩(wěn)定性
|
焊接生產(chǎn)中的問題
|
應(yīng)用型號(hào)
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BJ-380
|
2A14低溫貯箱
|
TIG
|
不穩(wěn)定、易出現(xiàn)Ti、Zr偏析
|
Ti、Zr偏析、夾雜、裂紋、氣孔
|
運(yùn)載火箭低溫貯箱
|
|
BJ-380A
|
2A14常溫貯箱
|
TIG
|
穩(wěn)定
|
補(bǔ)焊處有時(shí)出現(xiàn)液化裂紋、氣孔
|
運(yùn)載火箭常溫貯箱
|
|
BJ-380B
|
地面設(shè)備
|
MIG
|
穩(wěn)定
|
氣孔
|
地面設(shè)備
|
|
5B06
|
5A06常溫貯箱
|
TIG
|
穩(wěn)定
|
偶有裂紋、氣孔、夾雜
|
運(yùn)載火箭常溫貯箱、衛(wèi)星貯箱
|
3 展望
為提高焊接質(zhì)量，對現(xiàn)在成熟應(yīng)用的焊絲，如5B06、BJ-380A和BJ-380B焊絲，工作重點(diǎn)應(yīng)放在解決氫含量和夾雜物問題上，發(fā)展低氫高純焊絲。
航天鋁合金焊接中最常見的焊接缺陷是焊縫氣孔，有資料顯示，焊縫氣孔缺陷占所有缺陷的70%以上，超標(biāo)氣孔的補(bǔ)焊會(huì)帶來許多新的缺陷，如采用BJ-380A焊絲補(bǔ)焊2A14合金經(jīng)常出現(xiàn)液化裂紋，可見控制焊縫氣孔的重要性。影響焊縫氣孔因素很多，除工藝因素、母材因素外，焊絲含氫量是一個(gè)重要因素，焊絲中的氫會(huì)直接進(jìn)入熔池形成焊縫氣孔。為此，制造低氫焊絲非常重要，一般氫含量應(yīng)控制在0.2ml/100g金屬以下。
焊絲中的夾雜物會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生夾雜或焊縫表面產(chǎn)生臟物，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。焊絲生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)中雖有低倍組織檢查控制夾雜物的要求，但實(shí)際工作中很難通過低倍組織檢查查出夾雜物?？刂其X合金焊絲夾雜物應(yīng)控制鑄造和拔絲兩個(gè)環(huán)節(jié)，鑄錠質(zhì)量決定焊絲質(zhì)量，拔絲工藝不良也會(huì)導(dǎo)致外來物裹入焊絲中形成夾雜。
現(xiàn)有鋁合金焊絲雖然存在諸多問題，但基本保證了現(xiàn)有型號(hào)焊接生產(chǎn)的需求。為了解決現(xiàn)在生產(chǎn)中存在的問題和滿足未來型號(hào)焊接生產(chǎn)的需要，航天鋁合金焊絲將在以下幾方面得到發(fā)展。
1） 生產(chǎn)問題帶來的發(fā)展
BJ—380焊絲存在的問題目前嚴(yán)重困擾著型號(hào)生產(chǎn)，為解決這一問題，航天材料及工藝研究所新研制了一種適合于低溫貯箱焊接的焊絲，牌號(hào)為BJ—380C，以替代BJ—380焊絲。表4為BJ—380C和BJ—380焊絲所焊接頭的性能比較, BJ—380C焊絲具有良好的熔煉性、制絲工藝性、焊接工藝性、抗裂性、介質(zhì)相容性，接頭力學(xué)性能和BJ—380焊絲相當(dāng)，完全可以取代BJ—380焊絲，需要進(jìn)一步做的工作為大型試驗(yàn)件考核。
表4 BJ—380C和BJ—380焊絲所焊接頭的性能
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焊絲牌號(hào)
|
BI-380C
|
BJ-380
|
|
|
裂紋敏感性
|
K1（%）
|
6.5
|
7.2
|
|
K2（%）
|
0
|
3.4
|
|
|
σb
(MPa)
|
室溫
|
324
|
337
|
|
－196℃
|
413
|
412
|
|
|
－253℃
|
445
|
446
|
|
|
δ
(%)
|
室溫
|
4.7
|
7.4
|
|
－196℃
|
5.4
|
5.2
|
|
|
－253℃
|
2.9
|
2.8
|
|
焊接自動(dòng)化程度在航天鋁合金產(chǎn)品焊接中越來越高，對焊絲的要求也相應(yīng)提高。不僅要求焊絲 的挺度（硬度）適合送絲要求，而且要求焊絲表面質(zhì)量較高，不能是酸洗表面，應(yīng)為光亮表面，因?yàn)樗嵯幢砻娌粌H會(huì)帶來腐蝕產(chǎn)物和水分造成夾雜和氣孔，而且送絲機(jī)構(gòu)會(huì)局部刮削焊絲，形成刮削粉末阻塞送絲正常進(jìn)行，中斷焊接過程。因此光亮焊絲將是航天鋁合金焊絲發(fā)展的重要方向。航天材料及工藝研究所在焊絲光亮化研究上做了較多工作，已能生產(chǎn)出BJ—380A、BJ—380B、5B06光亮焊絲，可以滿足航天焊接生產(chǎn)需求。
3） 新材料帶來的發(fā)展
隨著航天新型號(hào)的發(fā)展，新型鋁合金材料將發(fā)揮重大作用。如新一代運(yùn)載火箭擬采用2219鋁合金，天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)貯箱必將采用更先進(jìn)的鋁鋰合金2195或1460，衛(wèi)星貯箱將采用鋁鈧合金，以實(shí)現(xiàn)航天器的輕質(zhì)化，一定會(huì)帶動(dòng)新型焊絲的問世。
2219鋁合金配用焊絲已由航天材料及工藝研究所研制完成，和國外焊絲相比的性能見表5，新研制的焊絲熔煉性好、制絲容易、抗裂性好、焊接工藝性好、接頭性能滿足設(shè)計(jì)要求，完全可以用于新一代運(yùn)載火箭貯箱的焊接生產(chǎn)。
表5 2219鋁合金配用焊絲的性能
|
焊絲牌號(hào)
|
25＃
|
720
|
美國2319
|
||
|
裂紋
敏感性
|
K1（%）
|
1.8
|
5.3
|
3.8
|
|
|
K2（%）
|
0
|
0
|
0
|
||
|
σb
(MPa)
|
室溫
|
2.6mm
|
313
|
298
|
264
|
|
6.0mm
|
293
|
270
|
287
|
||
|
－196℃
|
2.6mm
|
371
|
326
|
320
|
|
|
6.0mm
|
345
|
319
|
352
|
||
|
－253℃
|
2.6mm
|
485
|
440
|
－
|
|
|
δ
(%)
|
室溫
|
2.6mm
|
4.5
|
2.8
|
4.6
|
|
6.0mm
|
4.0
|
3.2
|
4.2
|
||
|
－196℃
|
2.6mm
|
4.3
|
3.3
|
4.0
|
|
|
6.0mm
|
3.5
|
2.9
|
4.0
|
||
|
－253℃
|
2.6mm
|
2.8
|
2.1
|
－
|
|
|
氣孔敏感性
|
小
|
小
|
大
|
||
針對2195鋁鋰合金國內(nèi)多家單位都在開展焊絲研制工作，均未取得突破進(jìn)展，焦點(diǎn)集中在抗裂性問題上。
鋁鈧合金以其優(yōu)異的屈服強(qiáng)度有望取代5A06合金用于衛(wèi)星貯箱,由于鋁鈧合金具有良好的焊接性,配用焊絲研制應(yīng)不困難。
4） 新技術(shù)帶來的發(fā)展
國內(nèi)焊絲的晶粒度一般為2-3級(jí)，國外焊絲的晶粒度為10級(jí)，焊絲晶粒越細(xì)，焊絲的性能越好，柔韌性越好，送絲越容易，且表面光亮化越容易取得好的效果，為此，采用新技術(shù)開發(fā)細(xì)晶焊絲是鋁合金焊絲的發(fā)展方向。
納米技術(shù)的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)焊絲制造技術(shù)的進(jìn)步，采用納米技術(shù)不僅可以獲得細(xì)晶焊絲，而且可以獲得細(xì)晶焊縫。從2219鋁合金探索試驗(yàn)結(jié)果看，納米焊絲的晶粒度可達(dá)10級(jí)以上，所焊焊縫的晶粒度比常規(guī)焊絲要細(xì)得多，可明顯提高焊縫的屈服強(qiáng)度。
4 結(jié)束語
航天鋁合金焊絲在航天鋁合金焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中占有特殊地位，應(yīng)認(rèn)清航天鋁合金焊絲國產(chǎn)化的重要性，民用行業(yè)可以大量使用甚至依賴國外進(jìn)口鋁合金焊絲，航天鋁合金焊絲卻不能，易被國外卡脖子，影響我國航天工業(yè)的發(fā)展。應(yīng)盡快完善航天鋁合金焊絲質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)焊絲生產(chǎn)過程控制，如降低焊絲中的氫含量控制焊縫氣孔，全面采用光亮焊絲適應(yīng)自動(dòng)焊的要求，使航天鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量得到保證。應(yīng)重視航天鋁合金焊絲的研制，不僅使新材料能及時(shí)有配用焊絲，而且應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)有焊絲的改進(jìn)工作，使焊接質(zhì)量不斷得到提高。
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