DE102008019859A1 - Inert gas mixture for arc welding of aluminum and its alloys - Google Patents

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Abstract

Beim MIG-/WIG-Schweißen von Aluminium werden häufig Argon oder Argon-Helium-Gemische als Schutzgas eingesetzt. Es ist bekannt, dass der Zusatz molekularer Komponenten wie Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid oder Stickoxiden selbst bei Anteilen von weniger als 0,1% die Lichtbogencharakteristik stark beeinflusst. Das erfindungsgemäße Schutzgas umfasst ein quaternäres Gemisch aus Argon, Helium, Stickstoff und Distickstoffoxid, wobei der Anteil an Distickstoffoxid bis zu 70 vpm, bevorzugt 50 bis 70 vpm, und der Stickstoffanteil zwischen 250 und 1000 vpm beträgt, innerhalb dieser Grenzen jedoch mit zunehmendem Heliumanteil ansteigt. Durch das erfindungsgemäße Gasgemisch wird ein gutes Schweißergebnis erzielt und die Situation hinsichtlich Umwelt- und Arbeitsschutz wesentlich verbessert.In MIG / TIG welding of aluminum, argon or argon-helium mixtures are often used as shielding gas. It is known that the addition of molecular components such as nitrogen, oxygen, carbon dioxide or nitrogen oxides, even at levels of less than 0.1%, greatly influences the arc characteristics. The inert gas according to the invention comprises a quaternary mixture of argon, helium, nitrogen and nitrous oxide, wherein the proportion of nitrous oxide up to 70 vpm, preferably 50 to 70 vpm, and the nitrogen content between 250 and 1000 vpm, but within these limits increases with increasing helium content , The gas mixture according to the invention achieves a good welding result and substantially improves the situation with regard to environmental protection and occupational safety.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzgas zum Lichtbogen-Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen.The The invention relates to a protective gas for arc welding of aluminum and aluminum alloys.

Als „Lichtbogenschweißen” werden im Folgenden alle Variationen des Lichtbogenschweißens mit abschmelzender oder nicht- abschmelzender Elektrode unter Einsatz eines Schutzgases verstanden, insbesondere Metall-Inertgas (MIG)-, Metall-Aktivgas (MAG)- und Wolfram-Inert-Gas-Schweißverfahren (WIG). Die Erfindung bezieht sich auf das Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen, die im Folgenden auch unter dem Begriff des „Aluminiumwerkstoffs” subsumiert werden; auch das Verschweißen unterschiedlicher Aluminiumwerkstoffe miteinander soll von der Erfindung umfasst werden.As "arc welding" become in the following all variations of the arc welding with melting or non-melting electrode under use a shielding gas, in particular metal inert gas (MIG) -, Metal active gas (MAG) and tungsten inert gas welding (TIG). The invention relates to the welding of Aluminum and aluminum alloys, hereinafter also referred to as the term "aluminum material" subsumed become; also the welding of different aluminum materials to each other should be encompassed by the invention.

Die Besonderheiten beim Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen resultieren aus der Eigenschaft des Aluminiums, an der Oberfläche bei Kontakt mit Luftsauerstoff sofort eine Oxidschicht zu bilden. Die Bildung des fest haftenden Oxids an der Oberfläche ist Folge des unedlen Charakters von Aluminium. Das Schweißschutzgas hat die Aufgabe, sowohl das Schweißbad wie auch den abschmelzenden Schweißzusatz vor Oxidation durch Luftsauerstoff zu schützen und gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit der Strecke des elektrischen Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück zu erhöhen. Als Schutzgas kommt dabei üblicherweise Argon oder ein Argon-Helium-Gasgemisch zum Einsatz. Letztere sind zwar teurer, der Gemischbestandteil Helium führt jedoch aufgrund eines heißeren Lichtbogens und einer günstigeren Energieverteilung im Lichtbogen zu einem besseren Einbrandverhalten und ermöglicht höhere Schweißgeschwindigkeiten. Außerdem kann Helium zur Verminderung oder zur Vermeidung von Poren beitragen und den Verbrauch an Schweißzusatzwerkstoff reduzieren. Problematisch bei Schutzgasgemischen mit einem hohem Anteil an Helium sind dagegen die hohen Kosten des Heliums, die Tendenz des Heliums, den Lichtbogen aufzuweiten sowie die mit steigendem Heliumanteil zunehmende Instabilität des Lichtbogens.The Special features when welding aluminum and aluminum alloys result from the property of aluminum, at the surface Upon contact with atmospheric oxygen immediately form an oxide layer. The formation of the firmly adhering oxide on the surface is the result of the base character of aluminum. The welding protection gas has the task of both the weld pool as well as the melting Welding additive to protect against oxidation by atmospheric oxygen and at the same time the electrical conductivity of the track the electric arc between the electrode and the workpiece to increase. The protective gas is usually argon or an argon-helium gas mixture is used. The latter are indeed more expensive, but the mixture component helium leads due a hotter arc and a cheaper one Energy distribution in the arc to a better penetration behavior and allows higher welding speeds. Furthermore Helium can contribute to reducing or preventing pores and reduce the consumption of filler metal. Problem with inert gas mixtures with a high proportion of helium on the other hand, the high cost of helium, the tendency of helium, expand the arc as well as increasing with increasing helium content Instability of the arc.

In jüngerer Zeit wurde daher versucht, die schweißtechnischen Eigenschaften von Schutzgasgemischen, die auf Argon-Helium-Gemischen aufbauen, durch Zumischungen weiterer Gase zu verbessern. Dabei genügen oft Beimischungen im zwei- bis dreistelligen vpm-Bereich (0,001% bis 0,1%), um messbare Effekte zu erzielen.In Recently, therefore, the attempt was made, the welding Properties of inert gas mixtures based on argon-helium mixtures build up to improve by admixtures of other gases. there Often suffice admixtures in the two- to three-digit vpm range (0.001% to 0.1%) for measurable effects.

Aus der EP 0 502 318 B1 ist ein Schutzgasgemisch aus Argon und einer oder mehreren Komponenten aus der Gruppe Helium, Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid mit einer Beimischung von 80 bis höchstens 250 vpm Stickstoff, vorzugsweise 120 bis 180 vpm Stickstoff, bekannt, das beim WIG-, MIG-, MAG- und Plasmaschweißen von Stahlwerkstoffen, Kupfer, Nickel und Aluminium eingesetzt werden kann. Das Schutzgas führt zu einer Einbrandintensivierung ohne Verschlechterung des Zwangslagenverhaltens.From the EP 0 502 318 B1 is a protective gas mixture of argon and one or more components from the group helium, hydrogen, oxygen and carbon dioxide with an admixture of 80 to at most 250 vpm of nitrogen, preferably 120 to 180 vpm of nitrogen, known in the TIG, MIG, MAG and plasma welding of steel materials, copper, nickel and aluminum can be used. The inert gas leads to a Einbrandintensivierung without deteriorating the Zwangslagenverhaltens.

In der DE 296 23 194 U1 wird ein Schutzgas zum Lichtbogenschweißen von Stahl und Nichteisenwerkstoffen wie Aluminium vorgeschlagen, welches aus Argon oder einem Argon-Helium-Stickstoff Gemisch mit einer Beimischung zwischen 50 und 450 vpm Stickstoffmonoxid (NO) besteht. Eine konkret angegebene Zusammensetzung dieses Schutzgasgemisches umfasst 150 vpm Stickstoff, 300 vpm Stickstoffmonoxid, 10 Vol.-% Helium und Argon als Rest. Das Schutzgas soll beim WIG-Wechselstromschweißen einen stabilen ruhigen Lichtbogen mit höherer Energieeinbringung und mit geringerer Schallemission, eine bessere Benetzung an den Nahtflanken, ein gutes Einbrandprofil und eine Schweißnaht mit sehr feinschuppigem Aussehen bewirken. Problematisch ist allerdings der Anteil des korrosiv und giftig wirkenden Stickstoffmonoxids.In the DE 296 23 194 U1 For example, a shielding gas is proposed for arc welding steel and non-ferrous materials such as aluminum, which consists of argon or an argon-helium-nitrogen mixture with an admixture of between 50 and 450 vpm of nitric oxide (NO). A specified composition of this inert gas mixture comprises 150 vpm of nitrogen, 300 vpm of nitrogen monoxide, 10 vol .-% helium and argon the remainder. The shielding gas is in TIG AC welding a stable quiet arc with higher energy input and lower acoustic emission, better wetting at the Seam edges, a good penetration profile and a weld with very finely scaly appearance effect. The problem is, however, the proportion of corrosive and toxic nitric oxide.

Aus der DE 27 48 417 C2 ist ein Verfahren zur Verringerung von beim Schweißen gebildeten, gesundheitsschädlichem Ozon durch Zugabe einer geringen Menge (25 bis 50 vpm) Stickoxide zu dem als Schutzgas verwendeten Argon beim WIG-Schweißen bekannt. Als ozonmindernde Stickoxide kommen dabei insbesondere NO und N2O (Lachgas) zum Einsatz.From the DE 27 48 417 C2 there is known a method of reducing ozone which is harmful to health by welding by adding a small amount (25 to 50 vpm) of nitrogen oxides to the inert gas argon used in TIG welding. In particular, NO and N 2 O (nitrous oxide) are used as ozone-reducing nitrogen oxides.

In der EP 0 475 030 B1 wird ein Schutzgasgemisch für das WIG-, MIG- und MAG-Schweißen von Aluminium beschrieben, das aus Argon oder einem Argon-Helium- Gemisch mit einer Beimischung von 80 bis 250 vpm Stickstoff besteht. Beim WIG-Wechselstromschweißen dient dies der Ausbildung eines ruhigen, stabil brennenden und konzentrierten Lichtbogens und einer erhöhten Energieeinbringung. Oberhalb von 250 vpm Stickstoff treten jedoch störende Nebeneffekte wie Nahtverfärbungen (WIG-Schweißen) und ein Absacken der Kehlnähte (MIG-Schweißen) auf.In the EP 0 475 030 B1 describes a shielding gas mixture for the TIG, MIG and MAG welding of aluminum, which consists of argon or an argon-helium mixture with an admixture of 80 to 250 vpm of nitrogen. In TIG AC welding, this provides for the formation of a quiet, stable burning and concentrated arc and increased energy input. Above 250 vpm of nitrogen, however, annoying side effects such as seam staining (TIG welding) and sagging of the fillet welds (MIG welding) occur.

Aus der EP 0 673 295 B1 ist bekannt, ein Schutzgas aus Argon oder aus einem Argon-Helium-Gemisch mit einer Beimischung von 80 bis 250 vpm N2O (Lachgas), vorzugsweise 120 bis 180 vpm N2O beim WIG- und MIG-Schweißen von Aluminium einzusetzen. N2O hat eine ozonreduzierende Wirkung und bewirkt beim WIG-Wechselstromschweißen die Ausbildung eines ruhigen, stabil brennenden und konzentrierten Lichtbogens und damit eine erhöhte Energieeinbringung. Oberhalb eines Anteils von 250 vpm N2O dagegen treten jedoch auch hier störende Nebeneffekte wie Nahtverfärbungen (WIG-Schweißen) und ein starkes Durchsacken der Kehlnähte (MIG-Schweißen) auf. Zudem reagiert N2O im Schutzgas mit Sauerstoff zu Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), die korrosiv und giftig wirken und somit sowohl den Benutzer gefährden als auch das Schweißergebnis beeinträchtigen. Unterhalb von 80 vpm N2O sollen die genannten vorteilhaften Effekte verschwinden.From the EP 0 673 295 B1 It is known to use a protective gas of argon or an argon-helium mixture with an admixture of 80 to 250 vpm of N 2 O (nitrous oxide), preferably 120 to 180 vpm of N 2 O in TIG and MIG welding of aluminum. N 2 O has an ozone-reducing effect and causes the formation of a quiet, stable burning and concentrated arc in TIG AC welding and thus an increased energy input. Above a level of 250 vpm N 2 O, however, there are also disturbing side effects such as seam discoloration (TIG welding) and a strong sagging of the fillet welds (MIG welding). In addition, N 2 O in the shielding gas reacts with oxygen to form nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), which have a corrosive and toxic effect, thus endangering both the user and the welding result. Below 80 vpm N 2 O, the aforementioned beneficial effects are expected to disappear.

Ein in der EP 0 761 380 A1 beschriebenes Schutzgasgemisch zum WIG-Wechselstromschweißen von Aluminiumwerkstoffen umfasst ein ternäres System aus wenigstens 50 Vol.-% Helium, 300 bis 1000 vpm Stickstoff, Rest Argon. Ausgehend von dem Ansatz, dass Helium im Schutzgas einerseits die Umschaltung der Polung der Wolframelektrode von Emission auf Empfang aufgrund seiner gegenüber Argon geringen Förderung der Gasionisation erschwert, aber andererseits beim WIG-Schweißen von Aluminium die Eindringtiefe und die Kompaktheit der Schweißraupe vergrößert, soll durch die genannte Schutzgasmischung die positive Wirkung des Helium ausgenutzt werden, ohne die Lichtbogenstabilität oder die Schweißrate wesentlich zu beeinträchtigen.An Indian EP 0 761 380 A1 described inert gas mixture for TIG AC welding of aluminum materials comprises a ternary system of at least 50 vol .-% helium, 300 to 1000 vpm of nitrogen, balance argon. Based on the approach that helium in the shielding gas on the one hand, the switching of the polarity of the tungsten electrode from emission to receive difficult because of its argon gas promotion low, but on the other hand in the TIG welding of aluminum increases the penetration depth and compactness of the weld bead, is intended by the said protective gas mixture, the positive effect of helium are utilized without significantly affecting the arc stability or the welding rate.

Aus der EP 0 949 038 A1 ist ein Schutzgasgemisch bekannt, das neben Argon und Helium zumindest einen Anteil von 300 vpm bis 1000 vpm Stickstoff enthält und dessen Heliumanteil weniger als 50 Vol.-% beträgt. Der Stickstoffanteil soll bei stabilem und ruhigem Lichtbogen und hoher Schweißrate zu einem tiefen und runden Einbrand von guter Qualität mit Nahtgeometrie ohne störende Nahtverfärbungen führen.From the EP 0 949 038 A1 is a protective gas mixture is known, which contains at least a proportion of 300 vpm to 1000 vpm of nitrogen in addition to argon and helium and its helium content is less than 50 vol .-%. The nitrogen content should lead to a deep and round burn-in of good quality with seam geometry without disturbing seam colorations with stable and quiet arc and high welding rate.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das Lichtbogenschweißen von Aluminium und seinen Legierungen eine Alternative zu den bekannten Schutzgasen aufzuzeigen, das zu guten Schweißergebnissen führt und die gesundheitlichen Belastungen für den Anwender sowie die Belastungen für die Umwelt reduziert.Of the present invention is based on the object for Arc welding of aluminum and its alloys to show an alternative to the known shielding gases, the good welding results and the health burden for the user as well as the burdens for the Environment reduced.

Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Schutzgasgemisch, das bis zu 70 vpm Distickstoffoxid (N2O), 250 bis 1000 vpm Stickstoff, Rest Argon und/oder Helium enthält.This object is achieved by a protective gas mixture containing up to 70 vpm nitrous oxide (N 2 O), 250 to 1000 vpm of nitrogen, balance argon and / or helium.

Die Zugabe von N2 und N2O wirkt der Eigenschaft des Heliums entgegen, den Lichtbogen aufzuweien, und erhöht damit die räumliche Konzentration des Lichtbogens. Weiterhin wird die Stabilität des Lichtbogens auch bei höheren Gehalten an Helium gewährleistet. Die ozonreduzierende Wirkung des N2O-Gehalts führt zu einer Verbesserung im Hinblick auf Arbeits- und Umweltschutz. Zugleich wirkt der gegenüber dem N2O-Anteil sehr viel höhere Gehalt an Stickstoff der bei Verwendung von lediglich mit N2O dotierten He-Ar-Gemischen beobachteten Entstehung von korrosiven und giftigen NO und NO2 entgegen, wodurch abermals die gesundheitlichen Belastungen des Anwenders sowie der Umwelt gemindert wird.The addition of N 2 and N 2 O counteracts the property of helium to soften the arc, thereby increasing the spatial concentration of the arc. Furthermore, the stability of the arc is ensured even at higher levels of helium. The ozone-reducing effect of the N 2 O content leads to an improvement in terms of occupational safety and environmental protection. At the same time, the content of nitrogen, which is much higher than that of the N 2 O content, counteracts the formation of corrosive and toxic NO and NO 2 when using He-Ar mixtures doped with N 2 O alone, which in turn further reduces the health burden on the user and the environment is reduced.

Bevorzugt beträgt der Anteil an N2O zwischen 50 und 70 vpm. Ein Anteil von weniger als 70 vpm N2O führt noch zu einem positiven Effekt im Hinblick auf die Ozonreduktion sowie auf die Stabilität des Lichtbogens; bei Anteilen von weniger als 50 vpm, beispielsweise zwischen 10 und 50 vpm N2O sind diese vorteilhaften Effekte zwar noch vorhanden, jedoch weniger stark ausgeprägt.The proportion of N 2 O is preferably between 50 and 70 vpm. An amount of less than 70 vpm N 2 O still has a positive effect in terms of ozone reduction and on the stability of the arc; at levels of less than 50 vpm, for example between 10 and 50 vpm N 2 O, these beneficial effects are still present but less pronounced.

In besonders vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung wird der Stickstoffgehalt im quaternären Gemisch Ar-He-N2-N2O dem Heliumgehalt angepasst. Der bevorzugte Stickstoffgehalt erhöht sich dabei mit steigendem Heliumgehalt, verbleibt jedoch im Bereich von unter 1000 vpm. Der Gehalt an N2O im Schutzgasgemisch wird nicht verändert. Durch die Anpassung des Stickstoffgehalts an den Heliumanteil werden die Schweißeigenschaften optimiert, da Helium, wie erwähnt, einerseits für die Intensivierung des Einbrandes von Vorteil ist, andererseits jedoch auch zu einer mit steigendem Heliumgehalt zunehmenden Instabilität und Verbreiterung des Lichtbogens führt. Die angepassten Stickstoffanteile erhalten die Vorteile des Heliumanteils, erhöhen jedoch gleichzeitig die Stabilität und Konzentration des Lichtbogens.In particularly advantageous developments of the invention, the nitrogen content in the quaternary mixture Ar-He-N 2 -N 2 O is adapted to the helium content. The preferred nitrogen content increases with increasing helium content, but remains in the range of below 1000 vpm. The content of N 2 O in the protective gas mixture is not changed. By adapting the nitrogen content to the helium content, the welding properties are optimized, since helium, as mentioned, on the one hand for the intensification of the penetration of advantage, on the other hand but also leads to an increasing helium content increasing instability and broadening of the arc. The adjusted nitrogen content provides the benefits of helium but increases the stability and concentration of the arc.

Insbesondere enthalten bevorzugte Gemische folgende Stickstoffanteile (bei einem Gehalt von bis zu 70 vpm N2O, Rest Ar):

  • – bei einem Anteil von weniger als 10% Helium: 250 bis 350 vpm Stickstoff,
  • – bei einem Anteil von 10 bis 50% Helium: 400 bis 500 vpm Stickstoff,
  • – bei einem Anteil von 50 bis 100% Helium: 700 bis 800 vpm Stickstoff.
In particular, preferred mixtures contain the following nitrogen contents (at a level of up to 70 vpm N 2 O, radical Ar):
  • - in the case of less than 10% helium: from 250 to 350 vpm of nitrogen,
  • At a level of 10 to 50% helium: 400 to 500 vpm of nitrogen,
  • - in a proportion of 50 to 100% helium: 700 to 800 vpm of nitrogen.

Die mittleren Werte der angegebenen Bereiche des Stickstoffanteils sind dabei jeweils besonders bevorzugt.The mean values of the specified ranges of nitrogen content are in each case particularly preferred.

Weiter vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schutzgases zum WIG- und MIG-Schweißen von Aluminium enthalten Beimengungen von Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Stickstoffmonoxid. Durch die Einbringung aktiver Komponenten wird ein verbesserter Einbrand erzielt und so die Schweißqualität insgesamt weiter erhöht. Die Beimengungen betragen bevorzugt jeweils unter 100 vpm.Further advantageous embodiments of the invention Shielding gas for TIG and MIG welding of aluminum included Additions of oxygen, carbon dioxide and / or nitrogen monoxide. The incorporation of active components is an improved Branding achieved and so the quality of welding overall further increased. The admixtures are preferably each below 100 vpm.

Das erfindungsgemäße Schutzgas ist zum Lichtbogen-Schweißen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen sowohl mit abschmelzender als auch nichtabschmelzender Elektrode geeignet. Insbesondere wird ein stabiler und ruhiger Lichtbogen mit hohem Energieeintrag, ein problemloses Umschalten der Polung der Wolframelektrode, ein hervorragendes Einbrandprofil, eine hohe Energieeinbringung, eine gute Qualität der Schweißnaht, insbesondere ohne störende Nahtverfärbungen und Poren, sowie eine hohe Schweißgeschwindigkeit und ein gutes Zwangslagenverhalten erreicht. Durch die Reduktion der Bildung von NO und NO2 werden die Belastungen für Mensch und Umwelt gegenüber dem Einsatz von Gemischen nach dem Stand der Technik wesentlich reduziert.The shielding gas according to the invention is suitable for arc welding of aluminum or aluminum alloys with both consumable and non-consumable electrodes. In particular, a stable and quiet arc with ho hem energy input, a problem-free switching of the polarity of the tungsten electrode, an excellent penetration profile, a high energy input, a good quality of the weld, in particular without annoying seam discoloration and pores, as well as a high welding speed and a good forced attitude behavior achieved. By reducing the formation of NO and NO 2 , the burden on humans and the environment compared to the use of mixtures according to the prior art is substantially reduced.

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  • - EP 0949038 A1 [0011] - EP 0949038 A1 [0011]

Claims (6)

Schutzgasgemisch zum Lichtbogenschweißen von Aluminium und seinen Legierungen, enthaltend bis zu 70 vpm Distickstoffoxid, 250 bis 1000 vpm Stickstoff, Rest Argon und/oder Helium.Inert gas mixture for arc welding of Aluminum and its alloys containing up to 70 vpm nitrous oxide, 250 to 1000 vpm of nitrogen, balance argon and / or helium. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Distockstoffoxid zwischen 50 und 70 vpm beträgt.Inert gas mixture according to claim 1, characterized in that the percentage of dopant oxide is between 50 and 70 vpm. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Anteil von 0 bis 10% Helium und 250 bis 350 vpm Stickstoff.Inert gas mixture according to claim 1 or 2, characterized by a proportion of 0 to 10% helium and 250 to 350 vpm of nitrogen. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Anteil von 10 bis 50% Helium und 400 bis 500 vpm Stickstoff.Inert gas mixture according to claim 1 or 2, characterized by a proportion of 10 to 50% helium and 400 to 500 vpm of nitrogen. Schutzgasgemisch nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Anteil von 50 bis 100% Helium und 700 bis 800 vpm Stickstoff.Inert gas mixture according to claim 1 or 2, characterized by a proportion of 50 to 100% helium and 700 to 800 vpm of nitrogen. Schutzgasgemisch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Beimengungen von Sauerstoff, Kohlendioxid und/oder Stickstoffmonoxid.Inert gas mixture according to one of the preceding claims, characterized by admixtures of oxygen, carbon dioxide and / or Nitric oxide.
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