CN1083744C - 气体保护电弧焊接用药芯焊丝 - Google Patents

气体保护电弧焊接用药芯焊丝 Download PDF

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Abstract

气体保护电弧焊接用的药芯焊丝是相对于焊丝全重量，以焊剂填充率为5～30%填充含有Al：0.7～3%、Mg：0.1～1.2%(但是，Al+3Mg：1.3～5%)、BaF2：1.2～5%的焊剂，并且钢制外皮和焊剂中Mn含量总和为0.2～1.9%，Si含量总和为0.001～0.9%。该药芯焊丝用于直流正极性的气体保护电弧焊接，在从低电流到中电流的焊接电流的范围(大约50～300A)内，不仅平焊，而且立焊等全位置焊接时飞溅发生量少，并且能得到焊接性良好同时韧性良好的焊缝金属。

Description

气体保护电弧焊接用药芯焊丝
本发明涉及以焊接丝为负极以母材为正极进行电弧焊接的直流正极性的气体保护电弧焊接用药芯焊丝。具体来说，涉及到在低电流到中电流的焊接电流范围(50～300A左右)内，得到不仅在平焊且立焊等全位置焊接时飞溅发生量少、而且焊接性(焊道形成性)好，同时韧性好的焊缝金属的气体保护电弧焊接用药芯焊丝。
关于气体保护电弧焊接用药芯焊丝，为了使电弧稳定飞溅发生量减少，本申请人已提出在焊剂中添加氟化物BaF2的氟化钡系的药芯焊丝特开平2-55696号公报)。这种氟化钡系的药芯焊丝在以焊丝为负极(母材为正极)进行直流电弧焊接的直流正极性使用，当以直流正极性作用时，由高蒸汽压的BaF2等蒸发产生的大的反作用力加上由阳离子产生的冲击力作用焊丝端部的熔滴，受到它们的合力冲击的焊丝端部的熔滴变成小熔滴沿母材滑动地移动。这样，使得电弧稳定、飞溅发生降低。
上述原来的直流正极性用气体保护电弧焊接用药芯焊丝的特征是以BaF2、Al、Mg、Fe、Mn和Si作为必要的焊剂成分，如果使这些焊剂成分的量适当，则可以在低焊接电流区域(大约100～200A)减少飞溅发生量。
但是，上述原来的药芯焊丝对于在从低电流到中电流的焊接电流的范围(大约50～300A)的立焊，横焊，平焊等由于重力影响熔化金属容易下垂的全位置焊接来说，有如下要改善之处：1、降低飞溅发生量；2、提高焊接性(形成好的焊道形状的容易程度)；3、提高焊缝金属的韧性。
为了解决上述课题，本发明的目的是提供一种在直流正极性的气体保护电弧焊接中使用的药芯焊丝，该焊丝在从低电流到中电流的焊接电流的范围(大约50～300A)，不仅平焊，而且立焊等全位置焊接时飞溅发生量少，并得到焊接性良好同时韧性良好的焊缝金属的气体保护电弧焊接用药芯焊丝。
本发明是在钢制外皮内填充焊剂、在直流正极性使用的气体保护电弧焊接用药芯焊丝中，其特征是以相对于焊丝全重量的5～30重量％的焊剂填充率填充含有相对于焊丝全重量的0.7～3重量％的Al、0.1～1.2重量％的Mg(但是，1.3～5重量％的Al+3Mg)、1.2～5重量％的BaF2的焊剂，并且钢制外皮和焊剂中Mn含量的总和为0.2～1.9重量％，钢制外皮和焊剂中Si含量的总和为0.001～0.9重量％，其余部分是铁粉及不可避免的杂质。
在本发明的上述气体保护电弧焊接用药芯焊丝中，其特征是以相对于焊丝全重量的7～20重量％的焊剂填充率填充含有相对于焊丝全重量的0.9～2.5重量％的Al、0.1～0.8重量％的Mg(但是，1.6～4重量％的Al+3Mg)、1.2～4重量％的BaF2的焊剂，并且钢制外皮和焊剂中Mn含量的总和为0.4～1.6重量％，钢制外皮和焊剂中Si含量的总和为0.001～0.6重量％，钢制外皮和焊剂中C含量的总和为0.005～0.08重量％，奥氏体形成元素对铁素形成元素的比X＝(4Ni+7Mn+20C)/(2Al+Si)满足0.7以上，焊丝形成的焊缝金属中的氧含量在200ppm以下。
在上述本发明的气体保护电弧焊接用药芯焊丝中，其特征是以相对于焊丝全重量，焊剂中Ni的含量为0.1～3重量％。
本发明的在上述气体保护电弧焊接用药芯焊丝中，其特征是以相对于焊丝全重量，焊剂中氧化物的含量为1.5重量％以下。
本发明的在上述气体保护电弧焊接用药芯焊丝中，其特征是以相对于焊丝全重量，焊剂中Zr的含量为0.0～1重量％。
用有上述组成的用于直流正极性气体保护电弧焊接的用药芯焊丝，能够得到在大约50～300A，在从低电流到中电流的焊接电流的范围内，不仅平焊，而且立焊等全位置焊接时飞溅发生量少，并且得到焊接性良好同时韧性良好的焊缝金属。
附图1为本发明相关的药芯焊丝的截面形状例的模型。其中，
M-钢制外皮，        F-焊剂。
本发明涉及的药芯焊丝如果由适当的Al、Mg、BaF2等焊剂成分的量组成，则在从低电流到中电流的焊接电流范围(大约50～300A)内，减少不仅平焊，而且立焊等全位置焊接时的飞溅量，并且能得到很好的焊道形状。也即，Al、Mg这样的强脱氧剂因为能降低熔化金属中的氧含量，提高熔化金属的粘性，所以起着抗重力得到很好形状的焊道的作用，氟化物BaF2是使直流正极性的电弧稳定且减少飞溅发生量的电弧稳定剂，同时起着使用熔化金属中的氧含量不上升并修整焊道形状的熔渣形成剂的作用。焊丝形成的熔化金属中的含氧量在200ppm以下时，熔化金属的粘性将显著提高，因此提高了全位置的焊接性(焊道形成性)。又，如果由焊丝中的铁素体形成元素Al、Si对奥氏体形成元素Ni、Mn、C的比值满足适当值来决定它们的成份量，则可得到韧性很好的焊缝金属。
本发明涉及的药芯焊丝，适用于软钢高强度钢的焊接，如上所述因为熔化金属的粘性很高难以下垂，所以具有平焊立焊位置等全位置的焊接中，可以不使用原来一直用的垫材(为了防止焊道垂落同时形成背面焊道的东西)，从单面焊接有根部间隙(坡口根部间隙)的对接接头同时形成背面焊道的优点。
以下说明本发明的焊丝限定在上述组成内的理由，另外，各成分的含量是相对焊丝全重量的重量％。
Al是焊剂中含有的必要成分，是可以提高熔化金属的粘性使得在全位置焊接中焊道状良好，同时是具有稳定直流正极性的电弧效果的强脱氧剂。但是，如果Al的含量不到0.7重量％电弧就不稳定飞溅发生量也变多。另外，Al含量超过3重量％时焊缝金属中的Al将过剩，导致焊缝金属组织粗大，韧性降低。因此，Al的含量在0.7～3重量％的范围内为好。为了进一步提高电弧的稳定性和焊缝金属的韧性，Al的含量在0.9～2.5量％的范围内为更理想。
Mg是焊剂中含有的必要成分，是可以提高熔化金属的粘性使得在全位置的焊接中焊道形状良好，同时是具有稳定直流正极性电弧效果的强力脱氧剂。但是，如果Mg的含量不到0.1重量％，电弧就不稳定飞溅发生量也变多。另外Mg的含量超过1.2重量％时，电弧的集中性变差，从而导致飞溅增加，而且焊道形状变为不希望的凸焊道恶化外观。因此，Mg的含量在0.1～1.2重量％的范围内为好。进一步，为了使焊道形状不恶化Mg含量在0.1～0.8重量％的范围内为更好。又，虽然Mg和Al有同样的效果，但是Mg比Al提高焊缝金属粘性的效果大，和Al不同的是添加太多会增加飞溅同时使焊道形状恶化。
如上所述因为Al和Mg都是强脱氧剂可提高熔化金属的粘性并使全位置焊接的焊道形状良好，同时具有稳定直流正极性电弧的效果。但是，如果Al+3Mg的含量不到1.3重量％，效果不十分好。焊缝金属的氧含量将超过200ppm使熔化金属容易垂下。另外，如果Al+3Mg的含量超过5重量％时熔化金属的粘性将太高以至使焊道形状成凸焊道恶化焊道形状。因此Al+3Mg的含量在1.3～5重量％范围内为好。进一步，为了提高焊接性和使电弧以稳定，Al+3Mg的含量在1.6～4重量％范围内为更理想。
BaF2是焊剂中含有的必要成分，具有使直流正极性的电弧稳定降低飞溅发生量的效果。但是如果BaF2的含量不到1.2重量％则没有效果。另外，BaF2的含量超过5重量％时药芯焊丝尖端的溶滴会变大导致不能滑动地向母材的移动，飞溅颗粒也变大，增加发生量。因此，BaF2的含量在1.2～5重量％的范围内为好。进一步，为了抑制飞溅颗粒变大，BaF2的含量在1.2～4重量％范围内为更理想。
Mn是焊剂中含有的必要成分，是奥氏体形成元素，有提高焊缝金属韧性的效果。但是，如果钢制外皮和焊剂的Mn的含量总和(T.Mn)不到0.2重量％则没有效果。另外，Mn含量超过1.9重量％时焊缝金属的强度则太高导致韧性下降。因此，Mn的含量在0.2～1.9重量％的范围内为好。进一步，为了确保焊缝金属的韧性，Mn的含量在0.4～1.6重量％的范围为更理想。
Si是焊剂中含有的必要成分，有提高母材和焊缝金属的熔合的效果。但是，如果Si的含量不到0.001重量％则没有效果。另外，Si含量超过0.9重量％时焊缝金属的韧性将下降。因此，Si的含量在0.001～0.9重量％的范围内为好。进一步，为了确保焊缝金属的韧性，Si的含量在0.001～0.6重量％范围更理想。
C是奥氏体形成元素，有提高含Al的焊缝金属韧性效果。但是，如果C的含量不到0.005重量％则没有效果。另外，C含量超过0.08重量％时焊缝金属的强度则太高使韧性下降。因此，C的含量在0.005～0.08重量％的范围内为好。进一步，为了确保焊缝金属的韧性，C的含量在0.005～0.06重量％范围内为更理想。
如果焊剂的填充率不到焊丝全重量的5重量％时则焊剂的各组成成分的含量不足，不能得以充分的效果。另外，如果填充率超过30重量％时钢制外皮变薄，流到焊丝的电流密度太高以至电弧不稳定增加飞溅发生量。因此，相对于焊丝全重量的焊剂的填充率在5～30重量％范围为好。进一步，为了有效挥发焊剂各成分的作用和稳定电弧，填充率在7～20重量％范围内为更理想。
在本发明中，以焊丝形成的焊缝金属中的氧含量有200ppm为好。熔化金属的粘性和该金属的氧含量之间有密切的关系，氧含量越低熔化金属的粘性越高，焊丝形成的焊缝金属中的氧含量在200ppm以下时，会提高全位置焊接的焊接性(焊道形成性)。对焊缝金属中的氧含量和焊剂成分的关系来说，氧含量除和Al、Mg等强脱氧剂的量成比例地趋于减少外，因为决定氧含量的其他因素还有脱氧剂和氟化物的平衡，脱氧剂和氧化物的平衡以及熔渣的碱度等，所以不能一概而定。本发明考虑Al+3Mg的量和焊缝金属中的氧含量最相关。又，当然除这些Al、Mg以外的强脱氧剂Ca、Ti等也可使其含在焊剂或/和钢制外皮中。
本发明也可以在必要时在焊剂中添加作为附加成分的Ni和氧化物。奥氏体形成元素Ni虽然价格较高，但是是确保含Al的熔化金属韧性的有效元素。然而，如果Ni含量不满足0.1重量％则没有效果。另外，Ni含量超过3重量％时焊缝金属的强度太高使韧性下降。因此，Ni含量在0.1～3重量％范围内为好。又氧化物作为修整焊道形状的熔渣形成材料非常有效，但是，氧化物的含量超过1.5重量％时飞溅发生量增加。因此，氧化物的含量在1.5重量％以下为好。又，铁的氧化物和Mn的氧化物等中性氧化物以及Mg的氧化物、Al的氧化物等碱性氧化物是使飞溅增加程度较少的氧化物。进一步，作为附加成份，特别从全位置焊接角度来看，在焊剂中添加Zr为好。这时，如果Zr的含量不满足0.01重量％效果则不好。另外，Zr含量超过1重量％时焊缝金属的韧性下降。
为了得到韧性好的焊缝金属，奥氏体形成元素Ni、Mn、C对铁素体形成元素Al、Si的比X≡(4Ni+7Mn+20C)/(2Al+Si)在0.7以上为好。更好的X值在1.2以上。
本发明为了确保低温韧性，可以在焊剂或/和钢制外皮中含有Ti：0.01～0.2重量％，B：0.001～0.02重量％中的1种或2种。
又，对焊丝的截面形状没有特别的限制，例如可用如图1(a)～(d)所示例各种形状。也可在图1(d)形状(无缝)的情况时在焊丝表面施与镀Cu。另外，保护气体使用CO2气体或者CO2气体和氩气的混合气体中的任何一种都可以。
用表2所示的化学成分的钢制外皮(相当于JIS G 3141 SPCC-SD)，作成表3和表4所示的药芯焊丝。又，各焊丝的尺寸全部是焊丝直径为1.6mm，焊剂填充率为10％，截面形状如图1(b)所示。
用这些药芯焊丝，在如表1的焊接条件下，实施作为全位置焊接代表的立焊位置的多层焊接焊成V形对接接头，用良好焊道的易得性(焊接性)，飞溅发生程度，焊缝金属的韧性(以JIS Z3313为基准)来评价。又，本发明的NO.23例中保护气体是使用20％的CO2气体和80％的Ar混合气体替代CO2气体。
焊接试验结果如表5所示。表中评价的基准如下：
全位置焊接(立焊位置)：
◎焊道形状非常平坦(容易平坦)；
○焊道形状大概平坦；
△焊道形状有点凸起；
×不能焊接或者焊道非常凸起
飞溅：
◎飞溅极少发生；
○飞溅发生少，即使发生也是小颗粒(直径0.5mm以下)；
△飞溅虽然少发生，但是有时发生中颗粒飞溅(直径0.5～
1.0mm)
×发生很多大颗粒飞溅(直径1.0mm以上)。
韧性(焊缝金属)：
◎0℃夏氏(Charpy)吸收能量120J以上；○0℃夏氏(Charpy)吸收能量70J以上；△0℃夏氏(Charpy)吸收能量40J以上；×0℃夏氏(Charpy)吸收能量低于40J；
表1
  实验钢板：JIS G 3106 SM490B板厚20mm接头形状：V形对接接头坡口角度45度根部间隙5mm焊丝直径：Φ1.6mm焊剂填充率：10％保护气体：CO2 流量：201/min焊接位置：立焊焊接电流：200A焊接电压：20V焊接速度：15cm/min焊丝伸出长度：20mm焊接极性：直流正极性
表2
  外皮     C      Si     Mn      P      S    Ti
    AB   0.04    0.01    0.2   0.015  0.008 0.0020.005   0.001   0.35  0.012  0.005 0.05
从试验结果发现，NO.1～NO.12的比较例都不全满足本发明规定的必要条件，因此有下述问题。因为NO.1的Al含量低于下限值所以电弧不稳定飞溅发生量变多。另外，因为NO.2的Al含量比上限值高所以焊缝金属的韧性下降。因为NO.3的Mg含量低下下限值所以电弧不稳定飞溅发生量变多。因为NO.4的Al+3Mg含量低下下限值所以电弧不稳定飞溅发生变多，而且焊道形状恶化。又，焊缝金属中的氧含量超过了规定值200ppm。NO.5的Mg含量以及Al+3Mg含量比上限值高所以焊道形状变坏(凸状)，并且飞溅发生量变多。
因为NO.6的BaF2含量低于下限值所以电弧不稳定飞溅发生量变多。另外，因为NO.7的BaF2含量比上限值高所以多发生大颗粒的飞溅。No.8的T.Mn含量低于下限值，No.9的T.Mn含量比上限值高，所以二者的焊缝金属的韧性都变低。No.10的T.Si含量低于下限值，焊道形状本身虽然良好但是焊道之前以及焊道和母材的熔合恶化。另外，NO.11的T.Si含量高于上限值所以韧性变低。NO.12的Al+3Mg含量高于上限值，T.Mn含量还低于推荐值(X＝0.57＜0.7)，所以焊道形状变凸，焊缝金属的韧性也降低。
和上述例对应，从表5可知本发明例(NO.13～NO.24)在作为全位置焊接的代表立焊时飞溅发生量少，而且得到良好的焊道形状以及良好的韧性的焊缝金属。另外当然也确认了平焊能得到同样好的结果。
如上所述，根据本发明，能提供在大约50～300A的从低电流到中电流的焊接电流范围内，不仅平焊，而且立焊等全位置焊接时飞溅发生量少，并且得到焊接性良好同时韧性良好的焊缝金属的用于直流正极性气体保护电弧焊接的药芯焊丝。
表3
分类                  焊剂成分wt％*1  Al+3Mgwt％ 外皮 T.Mnwt％   T.Siwt％   T.Cwt％     X值 焊缝金属的含氧量ppm
No. Al Mg BaF2 Mn Si C Ni 其他
比较例   1   0.6   0.6   2.2   0.5   0.2   0.003   0.003   -     2.4   A  0.68    0.21  0.04  3.95     120
  2   3.3   0.5   2.3   0.5   0.2   0.003   0.003   -     4.8   A  0.68    0.21  0.04  0.82     60
  3   1.9   0.05   1.3   0.2   0.01   0.01   0.002   -     2.05   A  0.38    0.02  0.05  0.96     180
  4   0.7   0.1   2.1   0.5   0.2   0.003   0.002   -     1   A  0.68    0.21  0.04  3.46     250
  5   2.2   1.5   3.9   0.5   0.35   0.002   0.003   -     6.7   A  0.68    0.36  0.04  1.17     60
  6   1   1.1   0.9   0.8   0.1   0.005   0.003   -     4.3   A  0.98    0.11  0.04  3.64     80
  7   2.5   0.8   5.3   0.5   0.3   0.005   0.003   -     4.9   A  0.68    0.31  0.04  1.05     80
  8   1.1   0.5   2.5   0.01   0.5   0.01   0.003   -     2.6   A  0.19    0.51  0.05  0.86     150
  9   1.5   0.9   1.5   2.1   0.3   0.01   0.002   -     4.2   A  2.28    0.31  0.05  5.13     100
  10   1.3   1.1   1.3   0.5    -   0.03   0.003   -     4.6   B  0.82  0.0009  0.03  2.44     80
  11   2.9   0.2   4.5   0.6   1.1   0.02   0.005   -     3.5   A  0.78    1.11  0.06  0.97     100
  12   2.8   0.8   2.5   0.2   0.8   0.01   0.005   -     5.2   A  0.38    0.81  0.05  0.57     50
*1 其余部分是铁粉+不可避免的杂质。
表4
分类                         焊剂成分wt％*1  Al+3Mgwt％  外皮  T.Mnwt％     T.Siwt％    T.Cwt％     X值 焊缝金属的含氧量ppm
No. Al Mg BaF2 Mn Si C Ni 其他
本发明例   13   2.1  0.5   2.2   0.5   0.2   0.002   0.003   -     3.6   A   0.68     0.21   0.04   1.26     80
  14   2.1  0.8   2.9   1.3   0.5   0.001   0.003   -     4.5   B   1.62     0.50   0.004   2.43     100
  15   1.3  0.5   4.5   0.5   0.5   0.06   0.003   -     2.8   A   0.68     0.51   0.10   2.18     120
  16   2.4  0.7   3.5   0.6   0.3   0.01   0.5   -     4.5   A   0.78     0.31   0.05   1.66     80
  17   2.3  0.2   1.3   0.5   0.5   0.02   2.5   -     2.9   A   0.68     0.51   0.06   3.12     120
  18   2.4  0.7   4.8   0.6   0.4   0.02   1.1   *2     4.5   B   0.92     0.4   0.02   2.16     100
  19   2.2  0.6   3.2   0.8   0.3   0.05   0.3   -     4.0   A   0.98     0.31   0.09   2.09     100
  20   2.3  0.6   2.1   0.7   0.3   0.05   3.3   -     4.1   A   0.88     0.31   0.09   4.31     100
  21   2.5  0.6   2.2   0.5   0.2   0.05   0.003   *3     4.3   A   0.68     0.21   0.09   1.26     80
  22   1.5  0.6   1.8   0.7   0.2   0.05   0.002   *4     3.6   A   0.88     0.21   0.09   2.48     120
  23   1.5  0.5   1.5   0.5   0.2   0.002   0.003   -     3.0   A   0.68     0.21   0.04   1.74     50
  24   2.1  0.5   2.2   0.5   0.2   0.002   0.003   *5     4.0   A   0.68     0.21   0.04   1.26     60
*1 其余部分是铁粉+不可避免的杂质。
*2 T.T1：0.045wt％，B：0.005wt％。
*3 MgO：1.1wt％，
*4 MgO：1.8wt％。
*5 Zr：0.1wt％。
表5
分类 No. 全位置焊接性 飞溅 韧性     备注
  比较例     1 △ × ○
    2 ○ ◎ ×
    3 △ × △
    4 × × ○
    5 × × △
    6 ○ × ○
    7 ○ × ○
    8 ○ ○ ×
    9 ○ ○ ×
    10 ○ △ ○ 焊缝的熔合恶化
    11 ○ △ ×
    12 △ △ ×
本发明例     13 ○ ◎ ○
    14 ○ ○ △
    15 ○ △ △
    16 ○ ◎ ◎
    17 ○ ○ ◎
    18 ○ ○ ◎
    19 ○ ○ ○
    20 ○ ◎ △
    21 ○ ○ ○
    22 △ △ ○
    23 ○ ◎ ○ 气体：Ar+20％CO2
    24 ◎ ◎ ○

Claims (8)

1.一种气体保护电弧焊接用药芯焊丝，在钢制外皮内填充焊剂、与直流正极相接使用的气体保护电弧焊接用药芯焊丝中，其特征是以相对于焊丝全重量的5～30重量％的焊剂填充率填充含有相对于焊丝全重量的0.7～3重量％的Al、0.1～1.2重量％的Mg，但是，1.3～5重量％的Al+3Mg、1.2～5重量％的BaF2的焊剂，并且钢制外皮和焊剂中Mn含量的总和为0.2～1.9重量％，钢制外皮和焊剂中Si含量的总和为0.001～0.9重量％，其余部分是铁粉及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的气体保护电弧焊接用药芯焊丝，其特征是以相对于焊丝全重量的7～20重量％的焊剂填充率填充含有相对于焊丝全重量的0.9～2.5重量％的Al、0.1～0.8重量％的Mg，但是，1.6～4重量％的Al+3Mg、1.2～4重量％的BaF2的焊剂，并且钢制外皮和焊剂中Mn含量的总和为0.4～1.6重量％，钢制外皮和焊剂中Si含量总和为0.001～0.6重量％，钢制外皮和焊剂中C含量的总和为0.005～0.08重量％，奥氏体形成元素对铁素体形成元素的比X＝(4Ni+7Mn+20C)/(2Al+Si)满足0.7以上，焊丝形成的焊缝金属中的氧含量在200ppm以下。
3.根据权利要求l或2所述的气体保护电弧焊接用药芯焊丝，其特征是以相对于焊丝全重量，焊剂中Ni的含量为0.1～3重量％。
4.根据权利要求1或2所述的气体保护电弧焊接用药芯焊丝，其特征是以相对于焊丝全重量，焊剂中氧化物的含量为1.5重量％以下。
5.根据权利要求3所述的气体保护电弧焊接用药芯焊丝，其特征是以相对于焊丝全重量，焊剂中氧化物的含量为1.5重量％以下。
6.根据权利要求l、2或5所述的气体保护电弧焊接用药芯焊丝，其特片是以相对于焊丝全重量，焊剂中Zr的含量为0.0l～1重量％。
7.根据权利要求3所述的气体保护电弧焊接用药芯焊丝，其特片是以相对于焊丝全重量，焊剂中Zr的含量为0.01～1重量％。
8.根据权利要求4所述的气体保护电弧焊接用药芯焊丝，其特片是以相对于焊丝全重量，焊剂中Zr的含量为0.01～1重量％。
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