Forme des joints lors du collage

Forme des joints
Il existe une grande diversité dans la forme des joints: 
* Joint en bout, bord à bord, ou butée simple :
- la surface de collage étant très restreinte, 
- la résistance de l’adhésif est très faible par rapport à celle des pièces assemblées. 
    Ce type de joint est donc formellement déconseillé. 

* Joint biseauté en bout Assez bonne répartition des charges mais la section collée est faible. 

* Joint à recouvrement simple: 
 La répartition des charges est satisfaisante. 


* Joint à recouvrement simple biseauté: 
 Cette forme permet une répartition plus favorable des contraintes, en les réduisant aux extrémités. 

* Joint à mi- épaisseur, ou recouvrement en gradin: 
 Ce joint a une bonne résistance 

* Joint embrevé ou recouvrement avec pliage : 
 Ce type permet une bonne répartition  des contraintes et il est relativement aisé à réaliser. 

* Joint à recouvrement avec sertissage (pour les tôles): 
 Encore plus solide et plus fiable que les précédents car il combine les avantages du collage et du sertissage. 

* Joint bord à bord à recouvrement, avec couvre-joint simple :  la répartition des charges est assez excentrique (apparition possible de contraintes de pelage ou de clivage). 

* Joint à double recouvrement :  La répartition symétrique des sollicitations permet d’obtenir des valeurs élevées de la résistance mécanique. 

* Joint bord à bord à double recouvrement symétrique ou joint à double couvre-joint : Les sollicitations sont réparties symétriquement, sans aucune déformation en charge. 

* Joint bord à bord, à mi-épaisseur et double recouvrement: assure une répartition très favorable des contraintes

Conception des joints
* Dimensionnement du joint collé 
* Choix de l’adhésif 
* Choix de son mode d’application (seringue, extrusion, pulvérisation, spatule, pinceau…) 
* Préparation de la surface 
* Collage: - Encollage - Mise en place du joint 
* Séchage/polymérisation

Préparation de la surface
* Lavage/Dégraissage (à partir de solvants) 
* Traitement mécanique (les ultrasons par exemple) 
* Traitement thermique (placer les substrats dans une étuve à haute température) 
* Traitement chimique (éliminer la couche d’oxydes recouvrant certains métaux) 
* Revêtement  (boucher les pores, améliorer la mouillabilité et protéger la surface)

Facteurs influant sur la performance du joint: 

La durabilité d’un joint collé dépend des propriétés à la fois de l’adhésif et des matériaux assemblés: 
* L’adhésif est affecté par des températures très élevées, par des solvants puissants ou par l’eau. La durabilité dépendra également de leurs actions sur les matériaux. 
* Les meilleurs joints sont réalisés avec des surfaces absolument propres et qui possèdent une bonne affinité pour l’adhésif. 
* Une bonne liaison offrant la durabilité suffisante est obtenue à partir de contrôles de la surface (ou prétraitement), de l’épaisseur du joint de colle et des conditions de durcissement. 
* Des joints conçus de manière à ce que les contraintes de pelage soient minimales conduisent en règle générale à une durabilité optimale. 
* Pour l’obtention de propriétés optimales, l’adhésif doit « mouiller » le matériau destiné à être assemblé, remplir l’intervalle entre les surfaces (avec une épaisseur de joint optimisée), puis durcir complètement.

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A propos des colles

Vitesse et durée de prise: 
La colle n’a fait sa prise et n’a acquis toutes ses propriétés (mécaniques, physiques, chimiques) que lorsqu’elle est parvenue à l’état solide. 
  La vitesse et la durée de prise dépendent, selon les types de colles:
* du type de formulation et des constituants de base (immédiatement, pour une colle contact (néoprène)) ; 
* de la température, la chaleur accélère toujours la prise des colles; * de l’humidité (pour certaines colles) ; 
* de l’épaisseur du joint de colle et donc de la quantité de colle appliquée pour remplir ce joint. 

Principes de collage: 
* une composition collante doit avoir au moment de son utilisation une faible tension de surface ; 
* la rupture d’un joint correctement collé doit se produire de manière cohésive, c’est-à-dire dans la colle ou dans le support mais pas à l’interface (cas de la rupture adhésive) ; 
* la cohésion du joint sera d’autant meilleure que les matériaux, substrats et colle présenteront entre eux des interactions moléculaires intenses physiques et chimiques ; 
* inversement une mauvaise affinité chimique peut fortement affaiblir le collage; 
* le coefficient de dilatation thermique et le module d’élasticité de l’adhésif doivent être compatibles avec les coefficients de dilatation des deux substrats, .

Remarque:
* Le cas d’une rupture laissant une couche d’adhésif sur les deux surfaces du substrat est appelé rupture de cohésion. 
* Si la rupture a lieu à l’interface adhésif/substrat, on parle de rupture d’adhésion.

Comportement des joints collés
Avantages du collage
* meilleure répartition des contraintes : le collage forme un joint sur toute la surface, alors que les autres types d’assemblages sont discontinus (rivets, vis...) et induisent des concentrations de contraintes locales et une répartition irrégulière de la rigidité de la pièce ; 
* assemblages peu visibles qui permettent un design plus léger, plus fin ; 
* abaissement de poids, ne serait-ce que par la suppression des moyens traditionnels de fixation (vis, rivets...) ce qui a permis par exemple d’alléger de 20 % les pièces d’avions collées par rapport aux pièces rivetées, et davantage encore en remplaçant les métaux par des matériaux composites, qui eux-mêmes utilisent le collage; 
* possibilité d’assembler des matériaux différents, d’épaisseurs très différentes 
* possibilité d’assembler des très petites pièces, des pièces fragiles 
* possibilité de réaliser des pièces composites, par exemple : stratifiés, panneaux-sandwichs 

Inconvénients du collage
* Limite de température: les colles supportent difficilement les températures supérieures à 100 0C et aucune n'est stable au-delà de 250 0C  
* Sensibilité à l’environnement (H2O) 
* Préparation de surface 
* les colles ne supportent que des charges modérée 

* le joint et les pièces doivent être soigneusement dimensionnés

Sollicitations. Forme et dimensionnement des joints 
 Il existe divers types de sollicitations mécaniques des joints.
 Dans les opérations de collage, il est très important que l’adhésif ou la colle travaille en cisaillement, afin de répartir les tensions sur une surface la plus grande possible.

Remarque:

- Les adhésifs sont moins résistants vis-à-vis du pelage et du clivage. 
- En effet, le clivage et le pelage sont les plus critiques, la force appliquée étant concentrée sur une ligne de contrainte élevée et non pas répartie sur toute la surface collé

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Collage des polymères ''3éme partie''

Classement des colles selon le mode de durcissement:
*Les colles et la plupart des adhésifs sont des liquides qui durcissent. Pour les obtenir, les chimistes connaissent trois moyens.
- Une première méthode qui consiste à dissoudre un solide dans un solvant, ce qui donne un liquide ; celui-ci, après application et évaporation du solvant, se solidifie de nouveau. 
 Ce sont les « colles à solvant » 
- Un deuxième moyen utilise la fusion d'un solide : transformé en liquide, il redevient solide après refroidissement.  Les colles utilisant ce principe s'appellent des « thermofusibles » ou hot - melt .   Elles sont très utilisées pour l'assemblage des tissus en confection et l'intérieur des automobiles.
-  Enfin, deux composants liquides peuvent réagir entre eux pour former un polymère solide.  Ce sont les colles de « réaction », apparues à la fin du XIXe siècle en même temps que les matières plastiques.

   C'est avec ces produits que l'on obtient des collages résistants, pouvant transmettre une force dans une structure, aussi les nomme-t-on « colles de structure ». Dans ce cas le joint possède des propriétés mécaniques au   moins équivalentes à celles des matériaux qu’il assemble.

En résumé:
  ** Adhésifs à Mise en Œuvre Physique = AMOP ⇒ Initialement liquides = Colles à solvant ⇒ Initialement solides = Colles thermofusibles 
  ** Adhésifs à Mise en Œuvre Chimique = AMOC ⇒ Durcissement par réaction de polymérisation

AMOP :
a) par évaporation de l'eau (adhésif en émulsion) :
 C'est le cas des colles à base de protéines ; par exemple le collagène 
 On peut également avoir des colles à base d’amidon à disperser dans l'eau.
  C'est aussi le cas du poly(alcool vinylique) et du poly(acétate de vinyle) en émulsion dans l’eau, colle blanche pour carton et bois
 b) par évaporation d'un solvant autre que l'eau :
 (AMOP liquide - Colles à solvant) 
Ce sont des adhésifs à base de polymères vinyliques (poly(acétate de vinyle), de polyméthacrylate de méthyle, de caoutchouc naturel et synthétique, de polyuréthane - Nature du solvant: 
 Il s'agit d'un mélange comprenant des esters (acétate d'éthyle notamment), des hydrocarbures aliphatiques (éther de pétrole), des cétones (propanone notamment)  exemples : Polyisobutène (PIB) Polydiènes
c) AMOP - Colles contact 
On applique la colle sur les deux faces à joindre ; on laisse sécher puis on applique les deux surfaces l'une contre l'autre ; la prise est très rapide. 
 Polychloroprène (colle néoprène)

d)AMOP solide 
- adhésifs thermofusibles Adhésifs thermo-fusibles à 20 oC, ces adhésifs sont solides. Ils se ramollissent progressivement quand on les chauffe et deviennent liquides ou pâteux vers 100 à 200 oC selon les formulations. 
e) adhésifs sensibles à la pression:
 Films et rubans adhésifs: Polyacrylates (Scotch de bureau, d’emballage)

AMOC   Les adhésifs à durcissement chimique : 
1) Adhésifs à deux composants : Le durcissement résulte de la réaction entre une résine (polymère) et un durcisseur. 
a) Polyuréthanes (PU): La résine est formée d'un polymère hydroxylé· Le durcisseur est par exemple le toluène Fabrication de panneaux sandwich. leur utilisation exige certains précautions: ventilation 
b) Polymères à partir d'époxydes: C'est une résine époxyde et le durcisseur est une amine, polyamide..; durcissement à T° ambiante Collage de haute performance pouvant supporter des contraintes mécaniques élevées de 20 à 40MPa. Araldite est une dénomination très connue de ce type d'adhésif. On utilise ces colles dites "époxy" pour verre, céramique, marbre, métal. 
 2) Adhésifs monocomposants :
 a) Adhésifs cyano-acryliques : Superglue est une dénomination très connue de ce type d'adhésif. Ces adhésifs très résistants et à prise très rapide ont des usages industriels et domestiques.
 b) Adhésifs à base de polysiloxanes (silicones) : On appelle siloxanes les composés renfermant dans leur molécule une ou plusieurs liaisons Si-O-Si
c) Adhésifs en anaérobie
     L‘oxygène est un inhibiteur pour les colles anaérobies. En présence d'oxygène dans l'air, le produit ne réagit pas et reste à l'état liquide. Les deux conditions suivantes sont nécessaires pour un durcissement correct :
• Contact avec une surface métallique.
• Absence d'oxygène ou d'air. 
     Ces colles sont recommandées pour une utilisation sur des surfaces métalliques, pour le blocage de boulons.

 d) Colles polymérisant sous l’action de l’humidité (monocomposant) : Réaction chimique entre l’humidité (ambiante ou des matériaux) et l’adhésif contenant des terminaisons isocyanates (un ion de formule –N=C=O). 
 e) Colles thermodurcissables à un composant : Réaction chimique sous l’action de la chaleur: le collage à chaud demande quelques minutes à 90°C à 120°C.

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Collage des polymères ''2éme partie''

La théorie thermodynamique 
* Cette théorie, aussi appelée théorie du mouillage. 
* Selon cette théorie, l’adhésion est attribuée aux forces intermoléculaires (liaisons de type Van der Waals) existant à l’interface. 
* Ces liaisons intermoléculaires sont faibles . Elles ont un champ d’action de l’ordre des distances intermoléculaires. 
* De ce fait, pour qu’elles s’établissent, il est nécessaire de créer un bon contact entre les deux surfaces, c’est à dire que le polymère doit parfaitement mouiller le substrat. 
* Plus l’étalement d’un liquide sur un solide est facilité, plus la mouillabilité du solide par ce liquide est importante. 

Mouillage des matériaux 
* Le mouillage est l’étalement facile de l’adhésif sur toute la surface à coller, afin d’obtenir un contact complet entre l’adhésif et les matériaux, pour que les forces d’adhésion puissent se développer. 
* En fonction de leur formulation et de leur viscosité, les colles mouillent plus ou moins bien les divers matériaux.

Mouillage des substrats encollés 
* un bon mouillage, avec pénétration de l’adhésif dans toutes les irrégularités des deux matériaux (figure a) 

Pourquoi ça colle ? 
« l'énergie d'adhésion », 
W SL * W SL = γs + γL — γsL
Équation de dupré

γs: énergie superficielle du substrat , 
γL:  énergie superficielle de l'adhésif          
γSL : énergie interfaciale 

 Si à l’équilibre θ est l’angle de raccordement du liquide avec le solide , 
on a d’après Young : 
* Équation de Young                       γS = γSL + γL. cos θ
* Ce qui permet donne l’Équation de Dupré-Young: 

                        WSL = γL(1 + cos θ)
   Par ailleurs, pour qu’il y ait collage, il faut qu’il y ait mouillage et donc que l’angle de raccordement liquide/solide soit voisin de 0 ou que  COSθ soit le plus grand possible

  Lorsque le mouillage est parfaitement réalisé, l’angle de raccordement  est nul et l’énergie d’adhésion est maximale et égale à 2 γL . 
    On en déduit immédiatement qu’un bon mouillage sera réalisé lorsque la tension superficielle de l’adhésif est petite, l’énergie de surface du solide grande et l’énergie inter-faciale faible d’après COSθ =(γS- γSL )/γL

La théorie de la diffusion
* Cette adhésion est contrôlée par les phénomènes de diffusion
* Elle s’applique aux matériaux polymères compatibles 
* Dans cette théorie, l’adhésion résulte de l’interdiffusion des molécules ou des chaînes d’un polymère dans l’autre.

Types de colles
Définition:  Une colle(adhésif) est une formulation d’un composé macromoléculaire, polymère de base, qui confère cohésion et propriétés mécaniques. Un certain nombre d’additifs sont introduits pour apporter   une fonctionnalité particulière (plastifiants, résines tackifiantes, modificateurs de rhéologie, colorants, stabilisants...)
* Différentes classes d’adhésifs sont référencées selon:
- Un classement ancien par origine de constituant de base (animale, végétale ou de synthèse); 
- Un classement usuel aujourd'hui selon le mode de durcissement (AMOP/AMOC)

Classement selon l’origine de base:
* Colles animales: 
- Il s’agit de composés issus de produits de peaus, d’os, de poisson..: colloides organiques dérivés d’hydrolyse du collagène. 
- Elles ont un pouvoir collant élevé pour un temps de prise rapide. 
- Ces colles ont été utilisé dans l’industrie de l’emballage pour le collage du carton et du bois.

*Colles végétales: 
- Ils sont essentiellement constituées à partir de l’amidon et de ses dérivés, de latex et de gommes diverses. 
- Elles sont modifiées par l’incorporation d’adjuvants qui agissent sur le pouvoir collant, la souplesse, la viscosité…
* Colles minérales 
Ces produits sont obtenues à partir du silicate de sodium, Ces colles apparaissent sous forme de solutions aqueuses alcalines. Des adhésifs céramiques à base de poudre de céramique liée résistent aux hautes températures. 
* Colles synthétiques Ces adhésifs modernes, apparus au XXe siècle, s’imposent aujourd’hui sur le marché et sont distingués par le mode de durcissement

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Collage des polymères ''1ére partie''

Aspects théoriques du collage
Introduction 
On peut assembler les polymères par: 
* Collage 
* Soudage 
* Des « attaches »


Définition du collage:

  Lorsqu'on veut fixer deux surfaces l'une par rapport à l'autre, on place entre elles une substance liquide ou pâteuse, en couche mince, qui en "séchant" forme un lien généralement très solide et définitif. On donne à cette substance le nom d'adhésif si elle est synthétique et de colle si elle est naturelle.

Vocabulaire technique

* Grammage Quantité d’adhésif déposé par unité de surface 

* Pégosité (Tack) Faculté d’un adhésif de maintenir ensemble instantanément deux supports (=adhérence instantanée). *  Encollage Phase du collage pendant laquelle on applique l’adhésif sur le ou les supports. 

* Thixotropie Propriété qu’ont certains fluides de passer d’un état visqueux à un état liquide lorsqu’on les agite et de retrouver leur état initial après un temps de repos. 

* Durée de vie en pot Durée de conservation admise pour une colle mélangée à son durcisseur au-delà de laquelle les collages deviennent moins bons, généralement par suite d’un épaississement exagéré.

* Durée de prise Durée de maintien de deux surfaces encollées l’une contre l’autre pour avoir une résistance suffisante du collage au cours des manipulations d’usage.

* Extrait sec Certains adhésifs sont des dispersions ou des solutions de polymères dans un liquide porteur qui est le plus souvent de l’eau . L’extrait sec (ES) est la teneur en matières actives de la colle 

* Temps de gommage, temps d’attente avant assemblage (colle solvanté et colles aqueuse) Durée s’écoulant entre le moment de l’encollage de l’adhésif et celui où l’on peut procéder  à l’assemblage

Mécanismes du collage 

   D’abord liquide ou fluide, la colle est étalée sur l’une (ou sur les deux) surfaces à assembler et s’y accroche par divers mécanismes physiques ou chimiques. C’est le phénomène dit d’adhésion.  

    Puis, les matériaux sont assemblés et la colle durcit ou sèche : c’est ce que l’on appelle le durcissement ou le séchage ou la prise ou la polymérisation de la colle, qui met en œuvre divers mécanismes physiques et chimiques

Considérations physiques lors d'un collage

* Pour améliorer le contact entre adhésif et support on a donc intérêt à avoir un support propre et notamment dégraissé.

* La présence d'un film gras, de poussières ou de salissures diverses, augmente la tension superficielle et empêche la goutte d'eau de s'étaler 

  Les micro-cavités présentes à la surface du support seront aussi un facteur favorable au collage ; elles doivent pouvoir recevoir l'adhésif (qui doit être suffisamment fluide) et seront des points d'ancrage de l'adhésif sur le support. Parfois on passe un agent abrasif à la surface des supports lisses pour multiplier ces micro-cavités

Adhésion, adhérence:

* On peut définir l'adhésion comme l'étude des mécanismes qui participent à la formation d'une interface plus ou moins forte et stable entre deux matériaux

* L’adhérence est la force ou énergie nécessaire pour séparer deux matériaux réunis par une surface commune (L'adhérence est la résistance à la rupture de l’assemblage);

    elle est mesuré par un essai de séparation de l’assemblage. utilisé pour évaluer les performances et la durabilité des systèmes collés. 

 * TESTS D'ADHERENCE = tests de rupture des assemblages collés (traction, cisaillement, pelage, clivage)

Mécanismes d’adhésion

Le collage repose sur les principaux mécanismes d’adhésion suivants: 
** L’adhésion mécanique 
** L’adhésion thermodynamique 
** L’adhésion par diffusion

Théorie mécanique

L’adhésion est assurée par un ancrage mécanique du polymère qui pénètre dans les microcavités et irrégularités de surface du substrat avant la solidification. Un bon ancrage mécanique nécessite un choix judicieux de la rugosité de surface et dépend à la fois de la viscosité de l’adhésif et de la mouillabilité du substrat. Mais l’adhésion sur des surfaces parfaitement lisses suppose d’autres théories. 

Viscosité

* La viscosité d’un adhésif renseigne sur la manière dont il s’écoule. Viscosité et température de la colle: 

* Pour toutes les colles, la viscosité diminue quand la température de la colle augmente. C’est le cas des adhésifs thermo-fusibles mais aussi des autres colles : époxydes, vinyliques,...

Remarques:

* La viscosité doit être adaptée à l’applicateur: certains applicateurs exigent des colles très fluides (pistolets, pipettes, buse), d’autres des colles plus épaisses. 

* — Difficulté de mouillage : si un matériau est difficile à mouiller, on utilisera une colle plus fluide, qui s’étalera plus facilement. 

* — Consommation de colle et viscosité: elles sont liées entre elles ; si la colle est épaisse, elle est plus difficile à appliquer et l’on consomme plus de colle.

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ASSEMBLAGE DES CERAMIQUES

ASSEMBLAGE DES CERAMIQUES
Introduction:
   L'assemblage de plusieurs pièces ensemble est, dans le cas des matériaux céramiques, rarement une simple méthode de mise en forme d'objets complexes à partir d'éléments simples de matière identique 
   Le choix de réaliser un produit par assemblage plutôt que par fabrication d'une pièce monolithique obéit à plusieurs motivations. 

* Certains produits ne peuvent être constitués d'un seul matériau. Par exemple, un circuit électrique comporte des conducteurs, des isolants, des résistances, etc. 
* Certaines structures doivent, de par leur forme, comporter une étape d'assemblage, par exemple un volume scellé hermétiquement (ampoule). 
* La possibilité d'assembler différents matériaux permet de mieux utiliser leurs propriétés. Il ne viendrait, par exemple, à personne l'idée de réaliser le cadre d'une fenêtre en verre… 

Généralités:
Quelques propriétés importantes des céramique : 
* Tenue en température 
* Résistance au fluage 
* Résistance chimique 
* Dureté 
* Isolation électrique 

Assemblage mécanique des céramiques:
   L'assemblage mécanique de céramiques et de verres est beaucoup plus délicat que celui des polymères et des métaux, en raison de leur fragilité ; un bon assemblage doit donc éviter  les concentrations de contraintes. 

Vissage

- Le vissage est un processus d'assemblage facilement réversible. 
- Cependant, la fabrication de pas de vis dans les verres et les céramiques est fortement déconseillée 
- On préférera donc de simples trous et l'utilisation de pièces de montage métalliques et polymères, illustré par le montage d'une charnière sur une porte en verre.

Frettage:
- Le frettage ou le chassage de pièces céramiques doit se faire dans une matrice ductile, métal ou polymère, qui doit reprendre l'ensemble de la déformation plastique. 

Collage et enrobage
- Le collage (avec des substances polymères), est une méthode très usitée pour assembler et enrober des éléments en céramique ou en verre. 
- Ces matériaux présentent des liaisons ioniques / covalentes permettant une bonne adhésion des colles, 
- et le collage peut être donc considéré comme une technique relativement "facile". 

  Quatre familles de substances sont très utilisées comme colles et enrobages dans la microélectronique ; 
* Les résines époxydes (collage et enrobage) 
* Les silicones (collage et enrobage) 
* Les polyuréthannes (PUR, plutôt enrobage) 
* Les acryliques (plutôt collage

Brasage: Brasage (scellement) et soudage du verre 
* le verre permet un assemblage par fusion 
* Les verres peuvent se souder de manière homogène (deux pièces du même verre) ou hétérogène (deux verres différents 
* ou servir de brasure pour deux pièces (verre, métal, céramique) ayant un point de fusion plus élevé. On parle alors de "verre de scellement" 

Mise en œuvre:

* Préparation des surfaces: Dans le cas de l'assemblage de verres et de céramiques, il faut juste s'assurer d'un degré de propreté raisonnable 
* Application du verre de scellement : Le verre se présente sous forme de préforme , de poudre, de pâte (poudre avec liant), voire de suspension 
* Traitement thermique : Le traitement thermique réalise la jonction, par fusion du verre de scellement, qui doit en principe mouiller et adhérer aux surfaces à lier.

Brasage avec brasure métallique:
* Le brasage de céramiques entre elles ou avec des métaux en utilisant une brasure métallique permet d'avoir un joint plus ductile que ceux obtenus avec des verres de scellement. 
* Suivant les procédés (brasure tendre), l'assemblage final des pièces peut aussi être réalisé à basse température tout en donnant un joint hermétique. 
* C'est même possible pour tout le processus si on combine la brasure tendre avec une métallisation en film mince déposé sous vide 
   On distingue fondamentalement trois types de brasage. 
** Le brasage (fort) réactif. La brasure a une composition similaire à celles utilisées pour les métaux, avec une adjonction d'un élément réactif (dans la plupart des cas Ti). C'est la réaction de cet élément avec la céramique ou le verre qui permet l'adhésion directe de la brasure, sans passer par une métallisation. 
** Le brasage fort non réactif. Ce brasage s'effectue comme avec les métaux, car on métallise préalablement les pièces à braser. On doit cependant veiller à éviter une dissolution complète de la métallisation lors de la brasure. 
** Le brasage tendre (non réactif). Ce type de brasage est aussi très similaire à sa variante "métallique" (métallisation nécessaire). Les faibles températures utilisées en font la méthode de choix pour la fermeture hermétique de boîtiers comprenant des composants électroniques. On a en outre une grande gamme de températures de fusion et de comportements mécaniques (In, Pb : très tendre ; Au–Sn : dur, résistance 275 MPa). 

Co-frittage:
 Le co-frittage est une manière de réaliser des structures, des boîtiers, des circuits électriques, des composants en un seul traitement thermique de cuisson 
   Soit l’exemple d’un composant qui comporte trois couches du même matériau , découpées à l'état crû. La matière première est constituée d'une phase minérale tenue par un liant lui donnant une consistance de feuille souple. Dans notre cas simplifié, on a, pour chaque couche, qu'une étape de fabrication: la découpe de trous, de canaux, etc., et du bord. 
   Après découpe, les différentes couches sont empilées et pressées ensemble à env. 80°C / 30 MPa, ce qui nous donne un corps crû cohérent. 
   Finalement, ce crû est fritté dans des conditions dépendant de la technologie utilisée : LTCC, HTCC 
   La technologie LTCC (céramique co-cuite à basse température, low-temperature cofired ceramic) est basée sur des feuilles contenant une poudre céramique (souvent de l'alumine) et une fritte de verre. La cuisson plafonne à env. 850…950°C 
    La technologie HTCC (céramique co-cuite à haute température, high-temperature cofired ceramic) est basée sur des feuilles d'alumine, avec le moly-manganèse comme métallisation.

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Métallurgie de soudage 2éme partie

Taux de dilution

• Ce taux de dilution sera exprimé en pourcentage. 

• C’est le rapport entre les volumes des métaux de bases fondus et celui de la totalité de la zone fondue. 

• Le taux de dilution =(M1+M2)/(A+M1+M2)

Volatilisation dans l’arc électrique 

• Les hautes températures atteintes dans l’arc sont susceptibles de provoquer la volatilisation de certains éléments . 

• Si nécessaire, ces pertes seront compensées par un ajout supplémentaire intervenant dans la composition du métal d’apport. • Cette volatilisation est la source des fumées de soudage. 

Solidification

• La translation de la source de chaleur au cours du soudage permet, à son aval, la solidification du métal liquide retenu au contact du métal de base surchauffé mais non fondu. 

• La solidification de la soudure se fait par la formation de cristaux • Ce processus est  distingué par ses deux phases, d’une part, la germination des grains et, d’autre part, leur croissance. 

• La zone affectée thermiquement possède à la fois des grains fins et gros. La zone à grains fins se situe du coté du métal de base non affecté. La région avoisinante , attenante à la zone fondue, est appelée zone de grossissement des grains

Remarques:

• Il est parfois nécessaire de préchauffer pour éviter la formation d’une structure très dure dans la ZAT 

• Le durcissement est d’autant plus dur que le refroidissement est rapide. 

• On préchauffe alors pour limiter les écarts de températures et on gère le refroidissement de manière à le rendre plus long dans le temps. 

• Ainsi, on limite les risques de durcissement et de fissurations. 

• Plus la température de préchauffage sera élevée, plus la vitesse de refroidissement devra être lente.

Retrait du cordon 

Diminution du volume de la zone fondue au refroidissement ⇒ déformation de soudage

Phénomènes dus à l’environnement:

Action de l’atmosphère 

• Nous allons considérer l’action des deux éléments principaux de l’atmosphère, l’oxygène et l’azote, ainsi que celle d’un élément généralement présent, l’hydrogène 

L’oxygène peut réagir avec les éléments volatilisés par l’arc et participer, de ce fait, à la génération des fumées de soudage. Mais il peut surtout se dissoudre dans le métal fondu et contribuer au cours de la solidification : 

• soit à la formation d’oxydes métalliques qui constituent des inclusions dans le métal fondu ; 

• soit à la formation de soufflures dans le métal fondu par suite de la baisse de solubilité qui accompagne le refroidissement et la solidification ; 

L’azote peut se dissoudre dans le métal fondu et contribuer : 

• soit à la formation de soufflures dans le métal fondu par suite de la baisse de solubilité qui accompagne le refroidissement et la solidification ; 

• soit à la formation de nitrures métalliques qui constituent des inclusions ou des précipités plus ou moins durcissant et fragilisant 

L’hydrogène, dont la solubilité diminue quand la température s’abaisse, peut alors contribuer à la formation : 

• de soufflures au cours de la solidification ; 

• de fissures, à l’état solide, lorsque l’hydrogène en sursaturation se rassemble, sous forme de molécules gazeuses, sur les défauts de structure d’un métal peu ductile. 

Remarque: 

• il faudra pratiquer un post-chauffage destiné à permettre le dégazage de l’hydrogène, à une température supérieure à celle de la fissuration

ACTIONS POSTÉRIEURES AU SOUDAGE

• Après réalisation d’un joint, il peut être utile d’intervenir pour pallier les déficiences résultant de l’intervention de certains phénomènes métallurgiques. C’est ainsi que l’on pourra envisager, si nécessaire : 

• de modifier l’état structural du métal dans le joint et notamment d’affiner les grains dans le métal fondu et dans la partie surchauffée de la ZAC ; 

• de faire évoluer un état structural hors équilibre, il s’agit alors d’un traitement de revenu ; 

• d’améliorer la géométrie du raccordement entre le métal de base et le métal fondu (exemples: meulage avec une meule de forme, fraisage avec une petite fraise de forme) ; 

• de créer des contraintes résiduelles favorables à la tenue mécanique du joint (par martelage par exemple).

Principaux risques liés au soudage: 

• Fissuration à froid (ZAT), à chaud (zone pâteuse) 

• Soufflure 

• Pollution, corrosion des surfaces 

• Inclusion (présence d’un corps étranger dans le cordon de soudure) 

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Métallurgie de soudage

Conditions d’installation de la liaison métallique lors du soudage: 
  Installer la liaison métallique consisterait, théoriquement, à rapprocher les surfaces à unir de telle sorte qu’aucun éléments ne perturbe cette dernière. 
  Cette opération, qui supposerait au départ que les surfaces soient chimiquement propres et dans un état poli , il faudra donc activer les surfaces à unir tout en éliminant les corps et éléments susceptibles de perturber la liaison.

Métallurgie de soudage:
Le rôle principal de la métallurgie du soudage est de connaître la façon dont évolue la structure métallurgique d'un matériau ou du joint soudé, dans le but évident de maitriser les propriétés mécaniques des assemblages soudés.

PHÉNOMÈNES MÉTALLURGIQUES ET LEURS CONSÉQUENCES:
un certain nombre de phénomènes métallurgiques pourront être mis en jeu ; leur liste, s’établit comme suit : 
*Phénomènes dus aux variations de température 
*Phénomènes dus à l’environnement 
   On voit que le métal est soumis à un cycle thermique : 
• un chauffage très rapide jusqu’à une température maximale (Tm) variant, suivant la distance entre le point considéré et la zone fondue 
• un refroidissement généralement rapide qui succède immédiatement à l’arrêt du chauffage.

Remarque:
• Le temps de refroidissement doit être géré de façon convenable pour éviter des problèmes de fissurations pendant le refroidissement.
On peut remarquer que: 
• la diminution de la température maximale atteinte au cours d’un cycle en fonction de la distance du point correspondant à la source de chaleur 
• la croissance des durées nécessaires pour atteindre la température maximale lorsque celle-ci diminue . 
•Il est intéressant de noter que les enregistrements des cycles thermiques de différents points d’une même soudure ont révélé que les lois de refroidissement de points ayant atteint des températures maximales différentes avaient tendance à être identiques au-dessous d’une limite de température voisine de 700oC.

le cycle thermique dépend des facteurs suivants: 
• l’énergie linéaire de soudage 
• la température de la pièce (si la pièce à été chauffée avant, elle sera longue à refroidir) 
• l’épaisseur et la forme de la pièce une pièce plus épaisse absorbera plus d’énergie qu’une pièce fine, une pièce en T absorbera plus d’énergie qu’une pièce plate 

Fusion et élaboration du bain liquide 

Lors d’une opération de soudage provoquant la formation d’un bain de métal liquide, les constituants de celui-ci sont fournis : 
• toujours par le ou les métaux de base constituant les pièces à assembler; 
• très souvent par le métal constituant l’électrode ; 
• souvent par des produits minéraux associés à l’électrode (enrobage, flux, ) ; 
• parfois par un métal d’apport

Fusion du métal de base 

• Comme le montre les enregistrements des cycles thermiques imposés au métal de base par l’opération de soudage , la fusion de celui-ci est extrêmement rapide (quelques secondes) mais elle s’achève après le passage de la source de chaleur. 

Fusion de l’électrode 
•Le métal qui fond à l’extrémité de l’électrode est ensuite transféré dans l’arc 
•Ce transfert peut se faire selon des modes différents en fonction de la polarité électrique de l’électrode et de la densité de courant: 
transfert par pulvérisation ou transfert globulaire 
Fusion des produits associés à l’électrode 
  La fusion des produits minéraux (enrobage, flux, ...) associés à l’électrode met au contact du métal fondu un laitier (assurant sa protection contre l’agression de l’atmosphère ambiante) qui, à l’état liquide, peut réagir avec lui. 
Ces réactions peuvent provoquer , un enrichissement en éléments d’alliage en vue d’améliorer les qualités du métal fondu (cas de Cr, Ni, Mo...) en les prélevant dans le laitier. 

INFLUENCE DES PRINCIPAUX ELEMENTS D’ADDITION  
•Carbone : Nécessaire pour accroître la résistance à la rupture et la dureté. 

•Manganèse : Neutralise la fragilité engendrée par les sulfures . 
•Nickel : Il améliore la dureté et la résistance à la traction. 
•Chrome : Il augmente la résistance à la corrosion et à l’oxydation. 
•Molybdène : Il accroît la résistance à chaud et à l’abrasion. 
•Il faut noter que la décomposition par la chaleur de produits organiques constituants certains enrobages va générer peu de laitier mais va dégager une forte quantité de gaz qui assureront la protection du métal liquide. 

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TECHNIQUES DE SOUDAGE - part III -

Hygiène et sécurité :
Les installations de soudage doivent, comme toute autre, satisfaire la réglementation en vigueur sur les règles d’hygiène et de sécurité. Les problèmes spécifiques au soudage qui sont essentiellement des problèmes : 
• de sécurités électriques liées à la nature des outils qui sont, en soudage manuel, tenus à la main par l’opérateur ; 
• de rayonnement de lumière d’arc ; 
• d’émission de rayonnements X ; 
• d’émission de matières pulvérulentes, de fumées et de vapeurs toxiques.

Comparaison des courants de soudage:
• Courant continu ( CC ) : Il permet l’utilisation d’un grand choix d’électrodes et d’intensités de soudage en conservant un arc très stable. 
• Courant alternatif ( CA ) : la consommation en courant électrique est plus faible. C’est le procédé idéal pour les soudures en corniche, des tôles épaisses. Inconvénient : arc peu stable.

Choix de la polarité de l’électrode:

La polarité a une importance non négligeable, on trouve : 
• La polarité directe ( Fig 4-10b ) : L’électrode est reliée au pôle négatif ( – = cathode ). Le bain de fusion est étroit et profond. 
• La polarité inverse ( Fig 4-10a ) : L’électrode est reliée au pôle positif ( + = anode ). Le bain de fusion est large et peu profond.

Réglage de l’intensité:
  En règle générale, si on a une intensité élevée, l’amorçage sera facilité, mais la vitesse de fusion de l’électrode est trop rapide et les projections sont plus abondantes. 
•En revanche, si on a une intensité faible, l’amorçage sera difficile. Il y’a un risque de collage de l’électrode à la pièce pendant le soudage. 

Électrodes enrobées: Le réglage de l’intensité dépend du diamètre de l’électrode, et du type de cordon à réaliser. 
*En soudage à plat : I=50x(Diamètre électrode – 1) 
*En soudage en angle intérieur : I=60x(Diamètre électrode – 1) *En soudage en angle extérieur : I=40x(Diamètre électrode – 1)

EFFET DES PARAMETRES DE SOUDAGE SUR LA MORPHOLOGIE DU CORDON:
• La constitution du bain de fusion est largement déterminée par le gradient de température qui se produit pendant le soudage.
• Ce gradient de température dépend des paramètres de soudage tels que: 
* le courant de soudage, 
*la longueur d'arc, 
*la vitesse de soudage, 

Courant de soudage:
  Le courant de soudage est un paramètre qui détermine largement la morphologie du bain de fusion Un courant de plus en plus fort entraîne un accroissement de l'apport calorifique, ce qui favorise l'augmentation du volume du métal fondu.
La longueur d'arc (distance électrode-pièce):
   la longueur de l'arc augmente la tension d'arc, mais diminue la répartition de la chaleur dans la pièce à souder.
Un arc trop long donne une pénétration moindre et une protection gazeuse insuffisante. Ce qui donne une soudure poreuse: occasionnant des soufflures.
Vitesse de soudage : 
• L'influence de la vitesse de soudage peut être évaluée par son effet sur l'apport calorifique linéaire de soudage. 
• L'apport calorifique est lié à la vitesse de soudage par la relation:
                      Q = (U I)/ V
avec: Q : Apport calorifique ; 
          I : Courant (A) ; 
         U : Tension (V) ; 
         V: Vitesse de soudage.

• Une augmentation de la vitesse de soudage diminue la quantité de chaleur par unité de longueur de soudure, ce qui aboutit à une diminution de la section de la zone fondue

Examen macrographique d'une soudure: 
La section transversale d'un joint soudé permet de distinguer quatre zones principales, disposées symétriquement par rapport au plan médian 
• la zone fondue (a) où l'effet thermique maximal a permis d'atteindre momentanément l'état liquide, avec éventuellement la participation d'un métal d'apport. 

• la zone de liaison (b), surface limitant la zone fondue, sur laquelle les cristaux de solidification de cette dernière ont assuré la liaison métallique avec le métal de base non fondu. 
• la zone thermiquement affectée (c) où l'action thermique a été suffisante pour introduire dans le métal de base des modifications structurales, fonction du temps de séjour à haute température et de la cinétique de refroidissement. 
• la zone non affectée ( d) n'ayant subi aucune modification physicochimique


Le profil et l'étendue de ces différentes zones varient selon : 
- l'énergie et le cycle thermique de soudage, 
- les traitements thermiques effectués avant, pendant ou après le soudage

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TECHNIQUES DE SOUDAGE - part II -

SOUDAGE PAR FUSION:

2.3. Soudage TIG (141)

• Le GTAW (Gas tungsten arc welding) communément appelé TIG La chaleur nécessaire au soudage est produit par un arc électrique jaillissant entre une électrode en Tungstène et les pièces à souder.

• Ce procédé utilise une électrode réfractaire en tungstène, placée dans l’atmosphère d’un gaz inerte, tel l’argon, l’hélium ou hydrogène. Ce gaz protège ainsi le métal de l’oxydation.

• Le métal d’apport est indépendant de la torche de soudage et se présente sous forme de baguette tenue par l’utilisateur ; ou sous forme de fil si le soudage est automatique.

position de la torche et du matériau d’apport:

  si on utilise du métal d’apport, celui-ci est alimenté au bord du bain de fusion et l’angle entre le métal d’apport et le matériau de base sera de 15 à 30 °

  Une mauvaise position de la torche par rapport au sens de soudage mène à une soudure asymétrique et des caniveaux Si la torche est trop plate, on aspire ainsi  l’air extérieur ce qui provoque  des inclusions d’oxydes

• Le TIG permet le soudage des métaux et alliages ferreux et non ferreux en particulier l’aluminium, le cuivre, et le nickel en toute position. 

• la vitesse de soudage est beaucoup plus lente que dans les autres procédé. 

• le cordon de soudure est de très bel aspect, propre et le bain de fusion n’est pas pollué. Les joints réalisés sont de très haute qualité. • Le procédé TIG est excellent il s’applique souvent au faible épaisseur(eps ≤ 10mm

•Argon+Hélium, le mélange améliore la pénétration pour le soudage des aciers inoxydable. 

•Argon+Hélium+Hydrogène, le mélange permet une plus grande vitesse de soudage du à l’augmentation de la fusion .

2.4. Soudage avec fil électrode sous flux en poudre(121)

• Le SAW (Submerged arc welding) : Le soudage sous flux en poudre s’apparente au soudage MIG mais n’utilise pas de gaz pour protéger la soudure. 

• La protection du bain se fait par un flux en poudre (matériau granulaire et fusible) 

• Ce procédé est très efficace et utilisé pour le soudage des aciers.

SOUDAGE ALUMINOTHERMIQUE (71):

Dans le soudage aluminothermie, la chaleur est générée par réaction chimique d’un mélange d’aluminium granulé (0,5 à 2mm) avec des oxydes métalliques pulvérulent maintenu entre les bords de pièces à assembler. Exemple: 

   Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 + 759 kJ/mol (2 960 °C)

• La réaction est amorcée à l’aide d’une source de chaleur locale d’environ 1200°C qui se propage rapidement à l’ensemble du mélange 

• L’aluminium s’unit à l’oxygène produit de la chaleur et libérant  le matériau d’apport. 

   Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 + 759 kJ/mol (2 960 °C)

• Durée de la réaction: 20s à 2min

Le soudage aluminothermique est surtout employé pour souder des joints dans de grosses sections en fer ou acier , utilisé également pour souder des rails sur les voies ferrées.

3- SOUDAGE PAR PRESSION:

Le soudage par pression , regroupe tous les procédés de soudage dans lesquels on obtient une soudure en général sans métal d’apport, par application d’une pression suffisante pour obtenir une déformation plastique des zones à souder, un chauffage localisé permet la liaison atomique de la zone de soudage.

3-1- Soudage par résistance

Dans le procédé par résistance, la chaleur provient de l’effet Joule produit par un courant électrique qui traverse le métal. Les pièces à souder sont serrées entre deux électrodes puis on exerce une forte pression sur les pièces en y appliquant brièvement un courant élevé. Exp: soudage par point Le soudage par résistance s’utilise beaucoup dans la fabrication de tôles métalliques et de câbles. Il est particulièrement adapté à des soudures répétitives effectuées par des machines automatiques ou semi-automatique.

Soudage par induction:

• La source d’énergie est ici le courant électrique induit dans les pièces  à souder par : 

• Application d’un champ magnétique intense et de haute fréquence

3-2- Soudage à la forge (43)

Le soudage à la forge fut pratiqué pendant des siècles par les forgerons et artisans qui travaillent avec les métaux. Les métaux sont chauffés dans le four et soudés par martelage ou à l’aide de toute autre pression mécanique. 

  Ce procédé à la forge est rarement utilisé dans les industries

QUELQUES AUTRES PROCÉDÉS DE SOUDAGE:

Le soudage par faisceau d'électrons:

• Un faisceau d'électrons bombarde les pièces à souder et produit une source de chaleur étroite et intense ; 

• la machine et les pièces à assembler sont maintenus dans une enceinte sous vide. 

L’impact du faisceau sur la pièce génère  Une émission des RX

Le soudage par faisceau laser 

• Technique similaire à la précédente, le faisceau d'électrons est remplacé par un faisceau laser. 

• Exemple: 

- Laser, Nd+3:Y3Al5O12 

- Haute densité énergie (10-100MW/cm²) 

- Epaisseurs 0.1 à 6-8mm

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TECHNIQUES DE SOUDAGE - part I -

SOUDAGE PAR FUSION:
1. Soudage aux gaz (47)
Le soudage aux gaz est un procédé qui utilise la chaleur dégagée par la combustion d’un gaz. Avec le chalumeau, on applique directement la flamme sur les bords des métaux à assembler. 
• La chaleur est fournie par combustion d’acétylène dans l’oxygène, avec une température de flamme atteignant environ 3100°C. 
• On fait fondre sur le joint un métal d’apport en forme de baguette. Le soudage au chalumeau a l’avantage de recourir à un équipement portable. Par ailleurs, il ne nécessite pas d’alimentation électrique. 
• Les surfaces à souder et la baguette de soudage sont revêtues de fondant, un matériau fusible qui protège le métal à souder de l’air

2. Soudage à l’arc 
• Les techniques de soudage à l’arc, sont plus utilisés et courantes dans l’industrie notamment pour l’assemblage des pièces en acier.

• Le courant électrique est utilisé pour créer un arc électrique qui génère suffisamment de chaleur pour faire fondre le métal et réaliser la soudure. 
• La quantité de chaleur dégagée par l’arc électrique permet une fusion instantanée des bords des pièces à souder et du métal d’apport

2.1. Soudage à l’arc à électrode enrobée (111):

• Le SMAW (Shielded metal arc welding) ou SAEE (Soudage à arc à l'électrode enrobée), couramment appelé soudage à la baguette. 

• Le soudage à l’électrode enrobée est souvent appelé « soudage à l’arc », il utilise des baguettes comme métal d’apport . La soudure à l’électrode enrobée consiste à mettre en les pièces à souder et de les assembler grâce à un métal d’apport (l’âme de l’électrode). Pour obtenir cette fusion, il faut une température très élevée,(3200°C). 
• La « baguette » fond dans le bain de fusion formant ainsi la soudure, l’enrobage de l’électrode (laitier ) fond à la température de l’arc et protège la soudure contre l’oxydation.
Remarque:

• Ce procédé de soudage est très utilisé pour le soudage des aciers. 
• On l’utilise parfois aussi pour le soudage des fontes, des alliages cuivreux et pour des travaux de rechargement. 
• Il permet également de souder tous les types de joints en toute position même sur les chantiers et pour toutes épaisseurs(e>1mm) avec un faible coût en équipement. 
• Ce procédé de soudage est le plus couramment utilisé sur les chantiers de construction.
    L'électrode enrobée, ou baguette de soudage, est constituée d'une âme métallique et d'un enrobage. 
• Âme métallique C’est la partie métallique de l’électrode. C'est le métal d'apport déposé pour assembler les pièces. Elle compose le centre de l'électrode. 
• Le rôle de l’âme : 
- conduit le courant ; 
- dépose le métal ; 
- crée l’arc électrique. 
• Enrobage: C’est un mélange complexe dont les composants sont choisis en fonction du métal à souder. Il forme le laitier qui remonte à la surface

2.2. Soudage MIG(131), MAG(135)

  La chaleur nécessaire à la fusion des pièces à souder est fournie par un arc électrique libre qui jaillit entre le fil électrode fusible et les pièces.
   L’électrode peut être un fil nu ou recouvert de fondant ; l’électrode fond en formant des gouttelettes qui se mêlent au métal liquide pour former la soudure.

   La protection de l’arc et du bain de fusion sont assurés par un gaz inerte( argon, hélium) ou un gaz actif (CO2) qui donnent leur nom au procédé: MIG ; MAG .
  lors du soudage MIG, un arc est entretenu entre un métal d’apport fusible et la pièce. Le métal d’apport est alimenté en continu à partir d’une bobine
 • Ce procédé (MIG, MAG) permet le soudage de nombreux alliages ferreux ou non ferreux en toute position pour des épaisseurs de 0,5mm en régime de court-circuit ; pour des épaisseurs ≥ 5mm en régime de forte intensité(Spray arc). 
 • La productivité du procédé est nettement supérieure à celle du soudage à l’ arc avec électrode enrobée en réduisant les temps d'arrêts pour changer d'électrode.
• Le soudage doit se faire dans une atmosphère calme, à l‘abri du vent, des courants d’air violent ; ce qui engendre parfois quelques difficultés sur les chantiers.
  TYPES D’ARC: Lors du soudage MIG, on distingue, en principe, deux types d’arc en fonction des réglages du poste de soudage: soudage à arc en court-circuit (short arc) et soudage à arc stable (spray arc).
SOUDAGE SHORT ARC
• La dénomination soudage à arc en court-circuit vient donc du fait que le transfert de métal ne se fait que durant une période de court circuit (short arc).
SOUDAGE SPRAY ARC

• Lors d’intensités de courant élevées: 
• Le fil fond sous forme de gouttes, grosses ou fines 
• Le bain de fusion est assez grand avec une bonne pénétration.

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