(57)【要約】【課題】クラッド材が不要であり、且つ接合強度を高めることができる鉄−アルミニウム材料の溶接技術を提供することを課題とする。【解決手段】鉄系材料１０にアルミニウム系材料１１を溶接する鉄−アルミニウム材料の溶接方法において、両材料の溶接に先立って、前記鉄系材料１０の、少なくとも被接合面２１及び、前記アルミニウム系材料１１の、少なくとも被接合面２１にめっき１３ａ、１３ｂを施し、このめっき１３ａ、１３ｂは、前記アルミニウム系材料１１より低融点で且つ前記鉄系材料１０との金属間化合物１６、１８、１９を生成し得る金属で施す。【効果】鉄系材料１０及びアルミニウム系材料１１を溶接する際、低融点のめっき１３ａ、１３ｂが溶融する。このめっき１３ａ、１３ｂが溶融されたことにより、接合域周囲に薄い金属間化合物を生成させることができ、高い接合強度を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系材料にアルミニウム系材料を溶接する鉄−アルミニウム材料の溶接方法において、
両材料の溶接に先立って、前記鉄系材料の、少なくとも被接合面及び、前記アルミニウム系材料の、少なくとも被接合面にめっきを施し、このめっきは、前記アルミニウム系材料より低融点で且つ前記鉄系材料との金属間化合物を生成し得る金属で施すことを特徴とする鉄−アルミニウム材料の溶接方法。
【請求項２】
前記溶接は、抵抗溶接、ガスシールドアーク溶接、レーザ溶接又は電子ビーム溶接のうちの、いずれかであることを特徴とする請求項１記載の鉄−アルミニウム材料の溶接方法。
【請求項３】
前記アルミニウム系材料よりも低融点で且つ前記鉄系材料との金属間化合物を生成し得る金属は、亜鉛を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の鉄−アルミニウム材料の溶接方法。
【請求項４】
請求項１、請求項２又は請求項３記載の鉄−アルミニウム材料の溶接方法で製造された鉄−アルミニウム接合部材であって、この鉄−アルミニウム接合部材は、前記アルミニウム系材料に主に形成される溶融域と前記鉄系材料との間に生成された金属間化合物による第１接合部と、前記アルミニウム系材料に前記溶融域を囲って形成される熱影響部と前記鉄系材料との間に生成された金属間化合物による第２接合部と、溶接に伴って発生するチリの熱により前記アルミニウム系材料と前記鉄系材料との間に生成された金属間化合物による第３接合部とからなる、第１〜第３接合部で接合されていることを特徴とする鉄−アルミニウム接合部材。
【請求項５】
請求項４記載の鉄−アルミニウム接合部材であって、
前記第３接合部の上面及び前記アルミニウム系材料の下面の間に、前記チリによって前記第３接合部の上面及び前記鉄系材料の下面がろう付けされたろう付け部を有することを特徴とする鉄−アルミニウム接合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系材料とアルミニウム系材料を溶接する異種材料溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の車体は、軽量化と高剛性化とが求められる。軽量化には比重の小さなアルミニウム系材料が採用され、高剛性には鋼と呼ばれる鉄系材料が採用される。
車体では、鉄系材料とアルミニウム系材料とを溶接で一体化する箇所が少なからず発生する。
【０００３】
アルミニウム系材料は表面に強固な酸化膜が存在し、この酸化膜が溶接の妨げとなる。加えて、アルミニウム系材料と鉄系材料とでは融点が全く相違するため、溶接が難しくなる。そのため、鉄系材料とアルミニウム系材料を溶接するには特殊な溶接方法が必要となる。
【０００４】
従来、鉄−アルミニウム材料の溶接方法として異種材料の抵抗溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−２８８５２４公報（図１（ｄ））
【０００５】
特許文献１を次図に基づいて説明する。
図７は従来の技術の基本原理を説明する図であり、異種材料の抵抗溶接を行うためには、溶接される鋼板１０１及びクラッド板１０２と、この鋼板１０１及びクラッド板１０２に電流を流しこれらを押圧するため鋼板１０１の下面及びクラッド板１０２の上面に配置される電極棒１０３、１０３とが準備される。
【０００６】
クラッド板１０２は、芯材としてのアルミニウム板１０４と、このアルミニウム板１０４を挟む鉄系のクラッド部１０５とから構成される。
１０６は、電極棒１０３から電流を流した際に発生する溶融域であり、溶融域１０６の外側に想像線で示されるのは、溶接の熱の影響を受ける熱影響部１０７である。
【０００７】
電極棒１０３に電流を流すと、クラッド部１０５及びアルミニウム板１０４の抵抗熱によりクラッド部１０５の一部及びアルミニウム板１０４の一部が溶融し、溶融域１０６が発生する。クラッド板１０２の上面及び鋼板１０１の下面は電極棒１０３、１０３により加圧されている。溶融域１０６の下面及び鋼板１０１のうち溶融域１０６に接触している面が金属間化合物１０８を生成することにより接合され、また、熱影響部１０７の下面及び鋼板１０１のうち熱影響部１０７に接触している面が、金属間化合物１０９を生成することにより接合される。
【０００８】
鋼板１０１とクラッド板１０２は、金属間化合物１０８と金属間化合物１０９とで、接合している。
ところで、接合力は、金属間化合物１０９の面積が大きいほど増大する。そこで、金属間化合物１０９の面積拡大が望まれる。
【０００９】
また、クラッド板１０２は、芯材としてのアルミニウム板１０４と、このアルミニウム板１０４を挟む鉄系のクラッド部１０５とから構成されるため、高価である。
このような高価なクラッド板１０２を用いないで、鉄系材料とアルミニウム系材料とを溶接することができれば、鉄−アルミニウム接合部材のコストを下げることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、クラッド材が不要であり、且つ接合強度を高めることができる鉄−アルミニウム材料の接合技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に係る発明では、鉄系材料にアルミニウム系材料を溶接する鉄−アルミニウム材料の溶接方法において、
両材料の溶接に先立って、前記鉄系材料の、少なくとも被接合面及び、前記アルミニウム系材料の、少なくとも被接合面にめっきを施し、このめっきは、前記アルミニウム系材料より低融点で且つ前記鉄系材料との金属間化合物を生成し得る金属で施すことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明では、溶接は、抵抗溶接、ガスシールドアーク溶接、レーザ溶接又は電子ビーム溶接のうちの、いずれかであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明では、アルミニウム系材料よりも低融点で且つ前記鉄系材料との金属間化合物を生成し得る金属は、亜鉛を含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１、請求項２又は請求項３記載の鉄−アルミニウム材料の溶接方法で製造された鉄−アルミニウム接合部材であって、この鉄−アルミニウム接合部材は、前記アルミニウム系材料に主に形成される溶融域と前記鉄系材料との間に生成された金属間化合物による第１接合部と、前記アルミニウム系材料に前記溶融域を囲って形成される熱影響部と前記鉄系材料との間に生成された金属間化合物による第２接合部と、溶接に伴って発生するチリの熱により前記アルミニウム系材料と前記鉄系材料との間に生成された金属間化合物による第３接合部とからなる、第１〜第３接合部で接合されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項４記載の鉄−アルミニウム接合部材であって、
前記第３接合部の上面及び前記アルミニウム系材料の下面の間に、前記チリによって前記第３接合部の上面及び前記鉄系材料の下面がろう付けされたろう付け部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明では、鉄系材料及びアルミニウム系材料を接合する際、両材料の被接合面にアルミニウム系材料よりも低融点のめっきを施すことにより、アルミニウム系材料が溶融しない低温度の領域においても、鉄系材料及びアルミニウム系材料の接合面に新生面を生成させることができ、極めて薄い金属間化合物を生成させることができる。被接合面面積が広くなり、接合強度が増す。
【００１７】
請求項２に係る発明では抵抗溶接、ガスシールドアーク溶接、レーザ溶接又は電子ビーム溶接のうちの、いずれかにより鉄系材料及びアルミニウム系材料を溶接する。これらの溶接方法は一般的な溶接方法であるため、既存の設備により実施することができ、溶接コストを低く抑えることができる。
【００１８】
請求項３に係る発明では、アルミニウム系材料よりも低融点で且つ鉄系材料との金属間化合物を生成し得るめっき金属として、亜鉛を含む。亜鉛めっきは一般的に多く用いられている金属めっきであることから、本発明にかかる方法を安価で実施することができる。
【００１９】
請求項４に係る発明では、鉄−アルミニウム接合部材は第１〜第３接合部で接合されている。第２接合部及び第３接合部は鉄系材料及びアルミニウム系材料の被接合面にアルミニウム材料よりも低融点のめっきを施すことにより形成される。第１〜第３接合部で接合されることにより、接合面積が広くなり、かつ第２接合部及び第３接合部においては金属間化合物を極めて薄く形成させることが可能となる。これにより鉄−アルミニウム接合部材を、低コストで提供することができる。
【００２０】
請求項５に係る発明では、第３接合部の上面及びアルミニウム系材料の下面にチリによりろう付けされたろう付け部を有する。第３接合部の上面及びアルミニウム系材料の下面は、ろう付け部により接合される。ろう付け部により接合されることにより、より接合強度が増す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る鉄−アルミニウム材料が溶接される際の状態を説明する図である。
鉄系材料１０及びアルミニウム系材料１１は、１対の電極１２、１２により任意の力で加圧される。鉄系材料１０の上面及びアルミニウム系材料１１の下面には、それぞれアルミニウム系材料１１よりも低融点で且つ鉄系材料との金属間化合物を生成し得る金属でめっき１３ａ、１３ｂが施されている。めっき１３ａの界面及びめっき１３ｂの界面の間には、わずかな隙間１４が存在する。
【００２２】
次に電極１２から電流を流した場合の状態を説明する。
電極１２から電流を流すと、鉄系材料１０の電気抵抗により生ずる熱により、めっき１３ａ、１３ｂ及びアルミニウム系材料１１が溶融された溶融域１５即ちナゲットが形成される。この溶融域１５と鉄系材料１０との間に第１接合部１６が生成される。
【００２３】
溶融域１５の周りに破線で示されるのは、アルミニウム系材料１１の融点以下の熱影響部１７であり、熱影響部１７と鉄系材料１０の間に第２接合部１８が生成される。
第２接合部１８の外周部には隙間１４へ排出されるチリの影響により第３接合部１９が生成され、第３接合部１９の上面及びアルミニウム系材料１１の下面の間に、チリによってろう付けされたろう付け部２０が生成される。
【００２４】
即ち、電極１２から電流を流すと、鉄系材料１０及びアルミニウム系材料１１の被接合面２１に接合部１６、１８、１９及びろう付け部２０が生成される。これらの接合部１６、１８、１９及びろう付け部２０を介して鉄系材料１０及びアルミニウム系材料１１は接合される。
鉄系材料１０及びアルミニウム系材料１１が接合されることにより鉄−アルミニウム接合部材２２が製造される。
【００２５】
なお、めっき１３には亜鉛が望ましいが、アルミニウムよりも低融点で且つ金属間化合物を生成し得るめっき金属であればよい。
仮にめっき１３に亜鉛を用いた場合には、亜鉛めっきは一般的に多く用いられている金属めっきであることから、本発明にかかる方法を安価で実施することができる。
【００２６】
さらに、図１においては鉄系材料１０の上面の全体及びアルミニウム系材料１１の下面の全体にめっき１３ａ、１３ｂを施しているが、少なくとも被接合面２１にめっき１３ａ、１３ｂが施されていれば本発明の効果を得ることができ、必ずしも鉄系材料１０の上面の全体及びアルミニウム系材料１１の下面の全体にめっき１３ａ、１３ｂを施す必要はない。
【００２７】
鉄系材料１０が厚さ１．６ｍｍの５９０ＭＰａ級鋼、アルミニウム系材料１１が厚さ１．２ｍｍのＡ６０２２アルミニウム合金、鉄系材料１０に施しためっき１３ａが１０μｍの亜鉛、アルミニウム系材料１１に施しためっき１３ｂが１０μｍの亜鉛とした。
そして、直径６ｍｍの電極１２、１２を用い、溶接電流１１ｋＡの条件で溶接を実施した。その結果を、図２で説明する。
【００２８】
図２は図１の２部拡大図である。即ち、アルミニウム系材料の溶融域１５と鉄系材料１０との間に生成される第１接合部１６の拡大図である。このとき第１接合部１６に生成される金属間化合物の厚さｔ１は約１μｍであった。
【００２９】
図３は図１の３部拡大図である。即ち、アルミニウム系材料の融点以下の熱影響部１７と鉄系材料１０との間に生成される第２接合部１８の拡大図である。このとき第２接合部１８生成にされる金属間化合物の厚さｔ２は約０．６５μｍであった。
【００３０】
図４は図１の４部拡大図である。即ち、隙間１４へ排出されるチリの影響により生成される第３接合部、及び、チリによりろう付けされたろう付け部２０の拡大図である。このとき第３接合部１９に生成される金属間化合物の厚さｔ３は約０．１２μｍであった。
【００３１】
図２〜図４においてｔ１〜ｔ３は、約０．１２μｍ〜約１μｍであった。
一般に、鉄系材料及びアルミニウム系材料を接合する場合、接合部に生成する金属間化合物の厚さが厚くなると、十分な接合強度が得られない。
特に被溶接面の外周部、即ち第３接合部１９での金属間化合物の厚さが１μｍよりも厚くなると、はく離に対しての強度が著しく低下する。従って、十分な接合強度を得るためには第３接合部１９の金属間化合物の厚さを１μｍよりも薄くする必要がある。
【００３２】
本発明に係る方法を一般的に溶接が行われる条件で使用した場合、第３接合部１９に生成される金属間化合物の厚さｔ３は、約０．１２μｍであり、十分な接合強度を得ることができる。
【００３３】
図５は図１の５−５線断面図であり、接合部１６、１８、１９は同心円状に広がっている。第２接合部１８の半径をｒ１、被接合面２１の半径をｒ２、ｒ２とｒ１の差をαとする。
被接合面２１の面積は、（ｒ２）２πである。第１接合部１６及び第２接合部１８の生成される領域の面積は（ｒ１）２πである。
【００３４】
即ち鉄系材料１０及びアルミニウム系材料１１にめっき１３ａ、１３ｂを施すことにより、被接合面２１が図７に示す従来の方法よりも（ｒ２）２π−（ｒ１）２πだけ広くなった。ｒ２＝ｒ１＋αであるため、α２π＋２（ｒ１）απ広くなった。
接合部材２２の接合強度は被接合面２１の面積が大きいほど強くなる。
【００３５】
本発明に係る方法及び本発明に係る鉄−アルミニウム接合部材によれば、第３接合部１９では、溶接に伴って発生するチリの影響により金属間化合物が生成され、また、アルミニウム系材料はろう付けされる。被接合面面積が大きくなり、接合強度が増す。
【００３６】
なお、スポット溶接を例に説明したが、ちりにめっき１３ａ、１３ｂが溶融されることにより第３接合部１９が生成され、この第３接合部１９が生成されることにより被接合面面積を広くすることができるものであれば、スポット溶接に限られるものではない。
【００３７】
また、溶接は、抵抗溶接、ガスシールドアーク溶接、レーザ溶接又は電子ビーム溶接の内、いずれかが好適であるが、これらの溶接方法に限られるものではない。
仮に、抵抗溶接、ガスシールドアーク溶接、レーザ溶接又は電子ビーム溶接の内、いずれかの手段により溶接を行った場合には、既存の設備により実施することができ、新たな設備を設置する必要がない。実施をするための設備投資が必要ないため、コストを低く抑えることができる。
【００３８】
（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。
実施例１〜３では本発明に係る方法を使用し、比較例１〜３は図７に示す従来の方法を使用し、比較例４〜６はアルミニウム板に何らの処理も施さない方法により試験を行った。
【００３９】
○実施例１〜３及び比較例１〜６における共通条件：
鋼板：
母材：５９０ＭＰａ級  鋼
被覆：溶融亜鉛めっき
厚さ：１．６ｍｍ
亜鉛めっき層厚さ：１０μｍ
アルミニウム板：
母材：アルミニウム合金  Ａ６０２２
総厚さ：１．２ｍｍ
溶接条件：
溶接方法：スポット溶接
電極直径：６ｍｍ
電極の挟持力：１．４７ｋＮ
通電サイクル：２０サイクル
【００４０】
○実施例１〜３及び比較例１〜６における個別条件：
実施例１〜３ではアルミニウム板被覆を溶融亜鉛めっきで行い、めっき層厚さを１０μｍにした。
【００４１】
比較例１〜３ではアルミニウム板をＳｉ系アルミニウムでクラッドしたクラッド材を使用した。クラッド層の厚さは０．１２ｍｍとした。クラッド層のシリコン含有量は１１％とした。
【００４２】
実施例１、比較例１及び比較例４では９ｋＡの溶接電流を流した。実施例２、比較例２及び比較例５では１０ｋＡの溶接電流を流した。実施例３、比較例３及び比較例６では１１ｋＡの溶接電流を流した。
【００４３】
溶接した後に、ＪＩＳ  Ｚ３１３７で定義される十字型引張試験により、鉄−アルミニウム接合部材のはく離接着強度を測定した。即ち、はく離接着強度は十字型引張試験の最大荷重による。
【００４４】
表１は実施例１〜３及び比較例１〜６の試験結果である。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
実施例１では、溶融亜鉛めっき鋼板に、亜鉛めっきを施したアルミニウム板を、めっき同士が接触するようにして重ね、９ｋＡの溶接電流で、スポット溶接を実施した接合部材を対象に十字型引張試験を行ったところ、はく離接着強度は１．８３ｋＮであった。
【００４７】
実施例２では、溶融亜鉛めっき鋼板に、亜鉛めっきを施したアルミニウム板を、めっき同士が接触するようにして重ね、１０ｋＡの溶接電流で、スポット溶接を実施した接合部材を対象に十字型引張試験を行ったところ、はく離接着強度は２．３７ｋＮであった。
【００４８】
実施例３では、溶融亜鉛めっき鋼板に、亜鉛めっきを施したアルミニウム板を、めっき同士が接触するようにして重ね、１１ｋＡの溶接電流で、スポット溶接を実施した接合部材を対象に十字型引張試験を行ったところ、はく離接着強度は２．８２ｋＮであった。
【００４９】
比較例１では、溶融亜鉛めっき鋼板に、アルミニウム板をＳｉ系アルミニウムでクラッドしたクラッド材を、めっき同士が接触するようにして重ね、９ｋＡの溶接電流で、スポット溶接を実施した接合部材を対象に十字型引張試験を行ったところ、はく離接着強度は１．１３ｋＮであった。
【００５０】
比較例２では、溶融亜鉛めっき鋼板に、アルミニウム板をＳｉ系アルミニウムでクラッドしたクラッド材を、めっき同士が接触するようにして重ね、１０ｋＡの溶接電流で、スポット溶接を実施した接合部材を対象に十字型引張試験を行ったところ、はく離接着強度は１．６９ｋＮであった。
【００５１】
比較例３では、溶融亜鉛めっき鋼板に、アルミニウム板をＳｉ系アルミニウムでクラッドしたクラッド材を、めっき同士が接触するようにして重ね、１１ｋＡの溶接電流で、スポット溶接を実施した接合部材を対象に十字型引張試験を行ったところ、はく離接着強度は１．９７ｋＮであった。
【００５２】
比較例４では、溶融亜鉛めっき鋼板に、被覆を行わないアルミニウム板を、めっき同士が接触するようにして重ね、９ｋＡの溶接電流で、スポット溶接を実施した接合部材を対象に十字型引張試験を行ったところ、はく離接着強度は０．７２ｋＮであった。
【００５３】
比較例５では、溶融亜鉛めっき鋼板に、被覆を行わないアルミニウム板を、めっき同士が接触するようにして重ね、１０ｋＡの溶接電流で、スポット溶接を実施した接合部材を対象に十字型引張試験を行ったところ、はく離接着強度は１．２７ｋＮであった。
【００５４】
比較例６では、溶融亜鉛めっき鋼板に、被覆を行わないアルミニウム板を、めっき同士が接触するようにして重ね、１１ｋＡの溶接電流で、スポット溶接を実施した接合部材を対象に十字型引張試験を行ったところ、はく離接着強度は１．４１ｋＮであった。
【００５５】
図６は実験例の結果を示すグラフであり、縦軸ははく離接着強度、横軸は溶接電流を示す。実１〜実３は、実施例１〜実施例３の結果であり、比１〜比６は、比較例１〜比較例６の結果である。
【００５６】
溶接電流が９ｋＡの場合には、アルミニウム母材に溶融亜鉛めっきを施した実施例１のはく離接着強度が最も強く、アルミニウム板をＳｉ系アルミニウムでクラッドしたクラッド材を用いた比較例１、被覆を行わないアルミニウム板を用いた比較例４の順ではく離接着強度が大きい。
【００５７】
溶接電流が１０ｋＡの場合には、アルミニウム母材に溶融亜鉛めっきを施した実施例２のはく離接着強度が最も強く、アルミニウム板をＳｉ系アルミニウムでクラッドしたクラッド材を用いた比較例２、被覆を行わないアルミニウム板を用いた比較例５の順ではく離接着強度が大きい。
【００５８】
溶接電流が１１ｋＡの場合には、アルミニウム母材に溶融亜鉛めっきを施した実施例３のはく離接着強度が最も強く、アルミニウム板をＳｉ系アルミニウムでクラッドしたクラッド材を用いた比較例３、被覆を行わないアルミニウム板を用いた比較例６の順ではく離接着強度が大きい。
【００５９】
どの溶接電流においても、はく離接着強度は、溶融亜鉛めっきを施した実施例１〜３、アルミニウム板をＳｉ系アルミニウムでクラッドしたクラッド材を用いた比較例１〜３、被覆を行わないアルミニウム板を用いた比較例４〜６の順で強かった。
【００６０】
即ち、本発明に係る方法を使用した鉄−アルミニウム接合部材のはく離接着強度が最も強く、具体的には、対比較例４〜６で１８７％〜２５４％、対比較例１〜３で１４０％〜１６２％の強さがあった。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の溶接方法は、高い接合強度が求められる異種材料の接合に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る鉄−アルミニウム材料が溶接される際の状態を説明する図である。
【図２】図１の２部拡大図である。
【図３】図１の３部拡大図である。
【図４】図１の４部拡大図である。
【図５】図１の５−５線断面図である。
【図６】実験例の結果を示すグラフである。
【図７】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…鉄系材料、１１…アルミニウム系材料、１３ａ、１３ｂ…めっき、１６…第１接合部、１８…第２接合部、１９…第３接合部、２０…ろう付け部、２１…被接合面、２２…接合部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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