2023年-等离子弧焊设备.docx

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1、第七章等离子弧焊设备7.1 等离子弧焊的特点及应用7.1.1 等离子弧的类型等离子弧是一种被压缩的鸨极筑弧，具有很高的能量密度及温度。等离子弧的压缩是 依靠水冷铜喷嘴的拘束作用实现的，等离子弧通过水冷铜喷嘴时受到下列三种压缩作用：1）机械压缩水冷铜喷嘴孔径限制了弧柱截面积的自由扩大，这种拘束作用就是机械压 缩；2）热压缩喷嘴中的冷却水使喷嘴内壁附近形成一层冷气膜，进一步减小了弧柱的有 效导电面积，从而进一步提高了电弧弧柱的能量密度及温度，这种依靠水冷使弧柱温度及 能量密度进一步提高的作用就是热压缩；7.1.2 缩由于以上两种压缩效应，使得电弧电流密度增大，电弧电流自身磁场产 生的电磁收缩力增大

2、，使电弧又受到进一步的压缩，这就是电磁压缩；根据电源的连接方式，等离子弧分为非转移型电弧、转移型电弧及联合型电弧三种。 非转移型电弧燃烧在鸨极与喷嘴之间，焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接鸨极，工件 不接到焊接回路上，见图371 a；依靠高速喷出的等离子气将电弧带出，这种电弧适用于 焊接或切割较薄的金属及非金属。转移型电弧直接燃烧在铝极与工件之间，焊接时首先引 燃鸽极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到鸨极与工件之间；在工作状态下，喷嘴不 接到焊接回路中，见图。这种电弧用于焊接较厚的金属。转移弧及非转移弧同时存 在的电弧为联合型电弧，见图371 c。图等离子弧的类型（a）非转移弧（b）转移弧

3、（c）联合弧1-鸨极 2-喷嘴3-转移弧4-非转移弧5-工件 6-冷却水7-弧焰 8-离子气7.1.3 等离子弧焊的特点由于等离子电弧具有较高的能量密度、温度及刚直性，因此与一般电弧焊相比，等离 子电弧具有下列优点：1）熔透能力强，在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次焊透810mm厚的不锈 钢板；2）焊缝质量对弧长的变化不敏感，这是由于电弧的形态接近圆柱形，且挺直度好，弧 长变化时对加热斑点的面积影响很小，易获得均匀的焊缝形状；表典型国产微束等离子焊机的技术参数型号LH6WLH-10LH-16ALH-20LH-30LH3-16电源输入电压/V380220220220380380空载电压/V焊

4、接17690601207550维弧17690(直流)，100(交流)95100135140电流调节范 围/A焊接0.5-60.5100.2160.1 20130脉冲电流:0.218A基值电流:0.218A脉冲频率：120Hz占空比:25%75%维弧1.81.521.532额定焊接电流/A61016203016电源容量/kVA1.11.52.821.2负载持续率/%60606060焊接厚度/mm0.080.30.051.10.1-10.1 0.20.1-10.055工件转速/(rmin)1.256.70.32.50.44保护气体预通时间/s1保护气体滞后时间/s55电流衰减时间/S1607等离子

5、气流量/(L min)0.1 0.511保护气流量/(L miN)Ar:0.24用2：0.1 0.51010冷却水流量/(L min-1)0.250.50.5外形尺寸/mm电源1500x650x1600控制箱1150x520x1150600x400x500640x460x780390x360x225工作台1100x560x1300540x340x1060质量/kg电源33控制箱1508544工作台250表379典型的微束等离子弧焊的焊接规范焊件材 料板厚/mm焊接速度电流 /A电 压 /V等离子气流 量（氧气） /（L -min1）保护气流量 /（L min）喷嘴 孔径 /mm备注种类流 量不

6、锈钢0.0251270.30.2Ar+1%H28卷边焊0.0751531.60.2Ar+1%H280.750.1253751.60.28Ar+0.5%H270.750.1757753.20.25Ar+4%H29.50.750.253205300.5Ar70.60.24260.4Ar60.8对接焊 （铜衬 垫）0.24.3250.4Ar50.80.13703 .3240.15Ar40.60.252706.5240.6Ar60.81.02752.7250.6Ar111.20.2520060.28Ar+1%H29.50.750.75125100.28Ar+1 %H29.50.751.2150130.

7、42Ar+8%H270.81.6254460.47Ar+5%H2121.3手工对 接2.4200900.7Ar+5%H2122.23.22541000.7Ar+5%H2122.2银合金0.153005220.4Ar50.6对接焊0.56150200460.28Ar+8%H270.80.71150200570.280.91125175680.331.212515010120.38钛0.1515030.2Ar80.75手工对 接0.215050.3712580.5525012He+25%Ar2哈斯特 洛依合 金0.1252504.80.28Ar80.75对接焊0.252005.80.5250100

8、.4500130.684.20.9康铜丝帜050.5Ar30.6端头对 接（|）0.1续表焊件材 料板厚/mm焊接速度 /(mmmin)电 流 /A电压N等离子气 流量（氮 气）/（L -min1）保护气流量 /（L -min-1）喷嘴 孔径 /mm备注不锈钢 丝旭751.70.28Ar+15%H270.75搭接时间 Is；并接时间 0.1s帆.750.90.28Ar+15%H270.75银丝旭120.10.28Ar70.75搭接 热电偶(|)().371.10.28Ar帆.371.00.28Ar+3%H2点焊时间 0.2s留丝与 银丝帆.50.2s/焊点2.50.2Ar9.50.75点焊紫铜

9、0. 0251250.30.28Ar+0.5%H29.50.75卷边对接0. 07515()100.28Ar+15%H29.50.757.5 脉冲等离子焊机脉冲等离子焊的特点脉冲等离子焊机一般采用频率为50Hz以下的脉冲弧焊电源，脉冲电源的形式主要为 晶闸管式、晶体管式及逆变式。与一般等离子焊相比，脉冲等离子焊的优点是，1）焊接过程更加稳定；2）焊接线能量易于控制，能够更好地控制熔池，保证良好的焊缝成形；3）焊接热影响区较小、焊接变形小；4）脉冲电弧对熔池具有搅拌作用，有利于细化晶粒，降低裂纹的敏感性；5）可进行全位置焊接。脉冲等离子焊的工艺参数有：脉冲电流（。）、基值电流（）、脉冲频率）、脉

10、 宽比Qp+a）。脉冲等离子焊接适用于管道的全位置焊接，薄壁构件以及热敏感性强的材 料的焊接。脉冲等离子焊机的技术参数表列出了国产脉冲等离子焊机的技术参数。脉冲等离子焊的工艺参数脉冲等离子焊的典型工艺参数见表3.7.11 o7.6 等离子堆焊机等离子堆焊是一种较新的堆焊工艺，具有熔深浅、熔敷率高、稀释率低等优点。根型号MLH-1-5LH-250LH1-250LH2-300LHM-315电源输入电压/V380380380380220/380/440额定电源容量/kV A21214033.6电流调节范围/A203002030030600脉冲电流/A05203003060037510基值电流/A0.

11、02414202503055020270脉冲频率/Hz7501.67-50.450.515脉宽比/%5-1005-1002080控制箱电源电压/V220220380机头行程/mm800焊车行走速度/ (m h1)3610100101001050焊炬调节范围/mm20030上下:270,前后:80, 左右：800填充丝直径/mm0.81.2等离子气流量/。小)4.53754000.2冷却水流量/(Lmi”i)0.43外形尺寸/mm电源1240x650x1280820x550x1220820x550x1220900x560x1030908x565x760控制箱810x650x1512810x650

12、x1512550x550x1250质里/kg电源3007575520218控制箱35035050表脉冲等离子焊的典型工艺参数材料种类板厚度/mmIb/A4/Af/az离子气流量/(L min1)焊接速度/（mmmin-1）不锈钢3701002.412/215.54004501201.421/356.0250钛6901702.910/176.520234090310/166.0400不锈钢波纹管膜片0.05+0.05 （内圆）0.120.5102/50.6450.05+0.15 （内圆）0.121.2102/50.6450.05+0.05 （外圆）0.12（）.55102/50.635据堆焊时所

13、使用的填充材料，等离子弧堆焊机可分为四种：热丝堆焊机、冷丝堆焊机、粉 末堆焊机以及熔化极等离子堆焊机。7.6.1 冷丝堆焊机冷丝堆焊与填充焊丝的熔入型等离子弧焊接相同，其设备也与填充焊丝的强流等离子 焊设备相似。由于这种方法的效率很低，目前已很少使用。7.6.2 热丝等离子堆焊机热丝等离子堆焊综合了热丝TIG焊及等离子焊的特点。焊机由一台直流电源、一台交 流电源、送丝机、控制箱、焊枪以及机架等组成。直流电源用作焊接电源，用于产生等离 子电弧，加热并熔化母材和填充焊丝。交流电源作为预热电源，在自动送入的焊丝中通以 一定的加热电流，以产生电阻热，从而提高熔敷效率并降低对熔敷金属的稀释程度。对于 单

14、丝堆焊焊机，预热电源的两极分别接焊丝和工件；对于双丝堆焊焊机，电源的两个电极 分别接两根焊丝，堆焊时应选择合适的预热电流，使焊丝在恰好送进到熔池时被电阻热所 熔化，同时两根焊丝间又不产生电弧。这样可减小焊接电流，从而降低熔敷金属的稀释率。 此外，热丝堆焊还有利于消除堆焊层中的气孔。热丝等离子堆焊主要用于在表面积较大的工件上堆焊不锈钢、银合金、铜及铜合金等。表给出了国产LS-500-2双热丝等离子弧堆焊机的技术参数。7.6.3 熔化极等离子堆焊机熔化极等离子堆焊机的原理图如图所示。这种焊机事实上是通过一种特殊的等 离子弧焊枪将等离子弧焊和熔化极气体保护焊组合起来。焊接过程中产生两个电弧，一个 为

15、等离子弧，另一个为熔化极电弧。根据等离子弧的产生方法，可分为水冷铜喷嘴式及鸨 极式两种。前者的等离子弧产生在水冷铜喷嘴与工件之间，如图375a所示；后者的等离 子弧产生在鸨极与工件之间，如图所示。熔化极电弧产生在焊丝与工件之间，并在 等离子弧中间燃烧。整个焊机需要两台电源。其中，一台为陡降特性的电源，其负极接鸨 极或水冷铜喷嘴，正极接工件；另一台为平特性电源，其正极接焊丝，负极接工件。熔化极堆焊机既可用于焊接，也可用于堆焊。焊接时，选用较小的焊丝电流，此时熔 滴过渡为大滴过渡；堆焊时，选用较大的焊丝电流，熔滴过渡为旋转射流过渡。与一般等离子焊及熔化极气体保护焊相比，熔化极等离子焊具有下列优点：

16、1）焊丝受到等离子弧的预热，熔化功率大；2）由于等离子流力的作用，在进行大滴过渡及旋转射流过渡时，均不会产生飞溅;3）熔化功率和工件上的热输入可单独调节；4）可焊接铝及铝合金；5）焊接速度快。表给出了国产熔化极等离子弧堆焊机的技术参数。国产LS-500-2双热丝等离子弧堆焊机的技术参数型号LS-5OO-2工作电压/V2030空栽电压/V80电流调吊范围/A30600负载持续率/%80电源功率/kVA36.4车市鸨极直径/mm5填充丝直径/mm1.22.5堆焊层厚度/mm25填充丝输送速度/（m.h/）50800电弧摆动频率/Hz0.53焊枪摆动幅度/mm025电源型号ZDK-500输入电压/V

17、380 （3 相、50Hz）控制箱输入电压/V220气体流量/（1卜1）等离子气1001000保护气160-1600焊接速度/（m.h-i）250外形尺寸/mm （长x宽X高）电源900x560x1030控制箱550x500x1250焊接工作台1500x500x2000质量/kg电源520控制箱50冷却水流量（Lmiir】）87.6.4 粉末堆焊机粉末堆焊机与一般等离子焊机大体相同，只不过利用粉末堆焊焊枪代替等离子焊机中 的焊枪。粉末堆焊焊枪一般采用直接水冷并带有送粉通道，所用喷嘴的压缩孔道比一般不 超过lo等离子堆焊时，一般采用转移弧或混合型弧。除了等离子气及保护气外，还需要 送粉气。送粉气

18、一般采用氮气。粉末堆焊具有生产率高，堆焊层稀释率低、质量高，便于自动化等特点，是目前应用 最广泛的一种等离子堆焊方法。特别适合于在轴承、轴颈、阀们板、阀们座、蜗轮叶片等零部件的堆焊。表给出了国产粉末堆焊机的技术参数。图熔化极等离子堆焊机的原理图1-焊丝 2-导电嘴3-等离子气4-铜喷嘴5-保护气体6-保护罩7-等离子气8-过渡金属9-鸨极表3713国产熔化极等离子弧堆焊机的技术参数型号LUR2-400电源型号ZX4-250 (等离子弧电源)ZPG7-1000 (熔化极电弧电源)额定输入容量/kVA16100频率/Hz5050空载电压/V8090电源特性下降特性平特性工作电压/V10 4530

19、50电流调节范围/A50250200-1000负载持续率/%60100导弧电源空载电压/V150导弧电流/A30维弧电流/A20额定等离子弧电流/A150额定熔化极电弧电流/A400送丝速度/(mmin/)530焊丝直径/mm1.2、1.6续表型号LUR2-400焊接速度/ (m-h-1)30 90堆焊速度/ (m-h-1)930摆动频率/Hz070摆动幅值/mm030摆动方式平摆最大冷却水压力/MPa0.98最大冷却水流量/(Lmin/)3.5等离子气流量/(L -min1)07保护气流量/(Lmin/)。30 (氤气)、07 (二氧化碳)后拖保护气流量/(L.min)030表国产等离子粉末

20、堆焊机的技术参数型号LU-150LUP-300LUP-500LU-500焊接电源输入电压/V380380380控制电源电压/V220堆焊空载电压/V非转移弧70707670767080转移弧140电流调节范围 /A非转移弧30300302003020030500转移弧151503025050400电流衰减最小值/A301（不可调）1（不可调）15气体衰减时间/s4413续表3714型号LU-150LUP-300LUP-500LU-500送粉量/(kgh“)9935氨气流量 /(Lmin1)离子气17101034送粉气1010105%保护气171010冷却水流量(Lmirfi)311配用电源ZX

21、G2-150N, ZXG-300N外形尺寸/mm电源长600575575600宽440465465820高940820820920控制箱长600650650320宽440550550600rWj1290165016501400机械装置长197012401240450宽9906506501500高2160170017001700质量/kg电源440控制箱机械装置备注两台电源的外形尺寸相同自编型号自编型号3）鸨极缩在水冷铜喷嘴内部,不可能与工件接触，因此可避免焊缝金属产生夹鸨现象;4）等离子电弧的电离度较高，电流较小时仍很稳定，可焊接微型精密零件；5）可产生稳定的小孔效应,通过小孔效应，正面施焊时

22、可获得良好的单面焊双面成形。等离子弧焊的缺点是：1）可焊厚度有限，一般在25mm以下；2）焊枪及控制线路较复杂，喷嘴的使用寿命很低；3）焊接参数较多，对焊接操作人员的技术水平要求较高。等离子弧焊的应用可用鸨极氢弧焊焊接的金属，比如不锈钢、铝及铝合金、钛及钛合金、银、铜、蒙耐 尔合金等，均可用等离子弧焊焊接。这种焊接方法可用于航天、航空、核能、电子、造船 及其它工业部门中。7.2 等离子弧焊设备的组成及分类7.2.1 等离子弧焊设备的组成等离子弧焊接设备由焊接电源、等离子弧发生器（焊枪）、控制电路、供气回路及供 水回路等组成。自动等离子弧焊接设备还包括焊接小车或其它自动工装。图372为典型 手工

23、等离子弧焊接设备的组成图。7.2.1.1 弧焊电源等离子弧焊接设备一般采用具有垂直外特性或陡降外特性的电源，以防止焊接电流因 弧长的变化而变化，获得均匀稳定的熔深及焊缝外形尺寸。一般不采用交流电源，只采用 直流电源，并采用正极性接法。与鸨极氤弧焊相比，等离子焊所需的电源空载电压较高。图372典型等离子弧焊接设备的组成图1-焊接电源2-高频振荡器3-离子气4-冷却水5-保护气6-保护气罩7-鸨极8-等离子弧 9-工件 10-喷嘴 KMh KM2-接触器触头采用氨气作等离子气时，电源空载电压应为6085V；当采用Ar+H2或氤与其它双原 子的混合气体作等离子气时，电源的空载电压应为110120V。

24、采用联合型电弧焊接时， 由于转移弧与非转移弧同时存在，因此，需要两套独立的电源供电。利用转移型电弧焊接 时，可以采用一套电源，也可以采用两套电源。一般采用高频震荡器引弧，当使用混合气体作等离子气时，应先利用纯氮引弧，然后 再将等离子气转变为混合气体，这样可降低对电源的空载电压要求。7.2.1.2 控制系统控制系统的作用是控制焊接设备的各个部分按照预定的程序进入、退出工作状态。整 个设备的控制电路通常由高频发生器控制电路、送丝电机拖动电路、焊接小车或专用工装 控制电路以及程控电路等组成。程控电路控制等离子气预通时间、等离子气流递增时间、 保护气预通时间、高频引弧及电弧转移、焊件预热时间、电流衰减

25、熄弧、延迟停气等。7.2.1.3 供气系统等离子弧焊接设备的气路系统较复杂。由等离子气路、正面保护气路及反面保护气路 等组成，而等离子气路还必须能够进行衰减控制。为此，等离子气路一般采用两路供给, 其中一路可经气阀放空，以实现等离子气的衰减控制。采用瀛气与氢气的混合气体作等离 子气时，气路中最好设有专门的引弧气路，以降低对电源空载电压的要求。图为采 用混合气体作等离子气时等离子弧焊接的气路系统图。引弧时，打开气阀DF2，向等离子 弧发生器中通以纯氨气，电弧引燃后，再打开电磁气阀DR,使氢气也进入贮气筒中，此 时等离子气为Ar+H2,通过针阀6及电磁气阀DF6可实现等离子气衰减。当焊接终了时,

26、DF6打开，等离子气路中的气体经过针阀6及DF6部分向大气中排放，通过调节针阀b可 调节衰减速度。图373采用混合气体作等离子气时等离子弧焊接的气路系统图1-气瓶2-减压阀3-气体汇流筒4-调节阀5-贮气筒6-针阀7-流量计DFiDF6-气阀等离子气及保护气体通常根据被焊金属来选择。大电流等离子弧焊接时，等离子气及 保护气体通常采用相同的气体，否则电弧的稳定性将变差。表列出了大电流等离子 弧焊焊接各种金属时所采用的典型气体。小电流等离子弧焊接通常采用纯氮气作等离子气。 这是因为僦气的电离电压较低，可保证电弧引燃容易。表列出了小电流等离子弧焊 常用保护气体。表大电流等离子弧焊常用等离子气及保护气

27、体金属厚度/mm焊接技术穿孔法熔透法碳钢3.2Ar25%Ar+75%He低合金钢3.2Ar25%Ar+75%He不锈钢3.2Ar 或 95%Ar+5%H225%Ar+75%He铜2.4不推荐He银合金3.2Ar 或 95%Ar+5%H225%Ar+75%He活性金属6.4Ar+ (50%70%) He25%Ar+75%HeP由于底部焊道成形不良，这种技术只能用于铜锌合金水路系统由于等离子弧的温度在loocxrc以上，为了防止烧坏喷嘴并增加对电弧的压缩作用, 必须对电极及喷嘴进行有效的水冷却。冷却水的流量不得小于3 L-min,水压不小于 0.150.2MPao水路中应设有水压开关，在水压达不到

28、要求时，切断供电回路。7.2.1.5 焊枪等离子弧焊枪是等离子弧发生器，对等离子弧的性能及焊接过程的稳定性起着决定性 作用。主要由电极、电极夹头、压缩喷嘴、中间绝缘体、上枪体、下枪体及冷却套等组成。 最关键的部件为喷嘴及电极。1）喷嘴等离子弧焊设备的典型喷嘴结构如图374所示。根据喷嘴孔道的数量，等离子焊喷 嘴可分为单孔型（图、c）和三孔型（图374b、d、e）两种。根据孔道的形状，喷 嘴可分为圆柱型（图、b）及收敛扩散型（图、d、e）等两种。大部分焊枪采 用圆柱形压缩孔道，而收敛扩散型压缩孔道有利于电弧的稳定。三孔型喷嘴出来中心主孔 外，主孔左右还有两个小孔。从这两个小孔中喷出的等离子气对等

29、离子弧有一附加压缩作 用，使等离子弧的截面变为椭圆形。当椭圆的长轴平行于焊接方向时，可显著提高焊接速 度，减小焊接热影响区的宽度。最重要的喷嘴形状参数为压缩孔径及压缩孔道长度。（1）喷嘴孔径dd决定了等离子弧的直径及能量密度，应根据焊接电流大小及等离子气种类及流量来选择。直径越小，对电弧的压缩作用越大，但太小时，等离子弧的 稳定性下降，甚至导致双弧现象，烧坏喷嘴。表373列出了各种直径的喷嘴所许用的电 流。（2）喷嘴孔道长度/o在一定的压缩孔径下，/越长，对等离子弧的压缩作用越强， 但/（）太大时，等离子弧不稳定。通常要求孔道比在一定的范围之内，如表374所示。（3）锥角a 对等离子弧的压缩角

30、影响不大，30。180。范围内均可，但最好与电极的 端部形状配合，保证将阳极斑点稳定在电极的顶端。表小电流等离子弧焊时常采用的保护气体（等离子气为氤气）金属厚度/mm焊接工艺穿孔法熔透法铝1.6HeHe碳钢（铝镇静钢）1.6Ar 或 25%Ar+75%HeAr 或 25%Ar+75%He低合金钢1.625%Ar+75%He或 Ar+ (1%5%) H2Ar, He 或 Ar+ (1%5%) H2不锈钢所有厚度Ar, 25%Ar+75%He或 Ar+ (1%5%) H2Ar, He 或 Ar+ (1%5%) H2铜1.6He 或 25%Ar+75%HeHe银合金所有厚度Ar, 25%Ar+75%

31、He或 Ar+ (1%5%) H2Ar, He 或 Ar+ (1%5%) H2活性金属1.6Ar, He 或 25%Ar+75%HeAr 或 25%Ar+75%He2）电极等离子弧焊接一般采用牡鸨极或锦鸨极，有时也采用错鸨极或错电极。鸨极一般需要 进行水冷，小电流时采用间接水冷方式，鸨极为棒状电极；大电流时，采用直接水冷，鸨 极为镶嵌式结构。棒状电极端头一般磨成尖锥形或尖锥平台形，电流较大时还可磨成球形，以减少烧损。 表375给出了棒状电极的许用电流。镶嵌式电极的端部一般磨成平面形。为了保证电弧 稳定，不产生双弧，鸨极应与喷嘴保持同心,而且鸨极的内缩长度/g要合适（/g=/oO.2mm）。7.

32、2.2 等离子弧焊设备的分类根据操作方式，等离子弧焊设备可分为手工及自动两种。根据所适用的焊接工艺可分 为强流式（大电流）等离子弧焊机、微束等离子弧焊机、熔化极等离子弧焊机及脉冲等离 子焊机等几种。图等离子弧焊接喷嘴的形状(a)圆柱单孔型(b)圆柱三孔型(c)收敛扩散单孔型(d)收敛扩散三孔型(e)带压缩段的收敛扩散三孔型表373各种直径的喷嘴所许用的电流直径/mm0.60.81.21.42.02.52.83.03.23.5许用电流/A51252060307040100140180210240300表374喷嘴的孔道比及压缩角喷嘴孔径d/mm孔径比lid压缩角。等离子弧类型0.6L22.06.

33、02545联合型电弧1.63.51.0-1.26090转移型电弧表375不同直径棒状电极的许用电流电极直径/mm电流范围/A电极直径/mm电流范围/A0.256.67保护气体流量/(L min1)26.67冷却水流量/(L ”而小)34外形尺寸 /mm电源650x455x933465x680x870-950x520x8701060x620x885510x295x555659x583x1824控制箱650x440x1280700x480x1610表377穿孔型等离子弧焊焊接规范焊件材 料板厚/mm焊接速度 /(mm-min-1)电流 /A电压 /V气体流量/（lh/）坡口形式种类离子气保护气低碳钢3.17530418528Ar3641680I低合金 钢4.16825420029Ar3361680I6.3535427533Ar4201680I不锈钢2.4660811530Ar+5%H2168980I3.17571214532Ar+5%H2280980I4.21835816536Ar+5%H23641260I6.3535424038Ar+5%H25041400I12.727032026A