DE19515341A1 - Behälter sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Technisches Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Gestaltung und Herstellung von geschweißten Behältern für den wiederholten Gebrauch, die besondere Funktionseigenschaften aufweisen und materialsparend sowie fertigungstechnisch günstig hergestellt werden können. Die Behälter werden hauptsächlich in der Nahrungsgüterindustrie insbesondere für die Herstellung, den Transport und die Lagerung von Lebensmitteln benötigt sowie für die Zubereitung von Speisen oder die Reinigung von Geschirr verwendet, wobei z. B. besondere Anforderungen bzgl. Reinigungsfähigkeit, Ästhetik, Korrosionsbeständigkeit oder an die Wärmeverteilung im Behälter gestellt werden. Derartige Eigenschaften sind auch von Vorteil, wenn ein solcher Behälter für chemische Produkte oder für Genußmittel oder dergleichen verwendet wird.

Stand der Technik

Für Behälter in der Nahrungsgüterindustrie, der Gastronomie und im Haushalt ist aufgrund seiner dauerhaften Gebrauchsfähigkeit, seiner guten Korrosionseigenschaften, guten Reini­ gungsmöglichkeiten und seines ansprechenden Aussehens der Einsatz von nicht-rostendem Stahl üblich.

Bekannt ist, daß zum Fügen von nichtrostenden Stahlbehältern aus mehreren Einzelteilen Schweißverfahren zum Einsatz kommen.

Der Einsatz herkömmlicher Schweißverfahren, wie z. B. MIG- oder WIG-Schweißen, hat allerdings wesentliche Nachteile. Der mit diesen Verfahren verbundene hohe Energieeintrag führt zu Nahtgeometrien, die aus ästhetischen Gründen und wegen der Anforderungen an die Reinigungsfähigkeit des Behälters einen erheblichen Aufwand an Nacharbeit erfordern und verursacht außerdem relativ breite wärmebeeinflußte Zonen mit für das äußere Erscheinungsbild und das Korrosionsverhalten nachteiliger Oxidschichtbehaftung.

Bei der Fertigung in kleinen Serien werden diese Schweißverfahren manuell eingesetzt, was erhöhten Zeitaufwand bedeutet.

Weiter ist bekannt, Behälter aus nichtrostendem Stahl mittels Strahlschweißverfahren herzu­ stellen. Dabei erfolgt die Verbindung üblicherweise mit einer Naht, die als Stumpfstoß mit I- Naht oder als Eckstoß mit Kehlnaht ausgebildet ist.

Während bei der Herstellung von Stumpfnähten die Strahlverfahren die für die herkömmlichen Schweißverfahren genannten Nachteile weitgehend eliminieren, sind bei ihrer bisher üblichen Anwendung sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Fügekantenvorbereitung und an die Spannvorrichtungen zum Schweißen zu erfüllen. Für eine flexible Fertigung, wie sie für das breite Sortiment an Behältern für den genannten Verwendungszweck und die typischerweise geringen Stückzahlen erforderlich ist, wirkt sich dieser Umstand sehr ungünstig auf die Fertigungskosten aus.

Mit Strahlverfahren hergestellte Kehlnähte stellen ebenfalls hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit und an die Spannvorrichtung. Sie sind außerdem einer erforderlichen mechanischen Nachbearbeitung schwer zugänglich und die so hergestellten Behälter lassen sich schlecht reinigen. Neben den Vorteilen für viele Anwendungen weist nichtrostender Stahl als Werkstoff für spezielle Anforderungen auch Nachteile auf, wie z. B. schlechte Wärmeleitfähigkeit.

Es ist daher auch der Einsatz von Schichtverbundwerkstoffen bekannt (z. B. OS 2938976), wobei eine Komponente auf Grund der genannten Vorteile wiederum Edelstahl ist, die zweite, z. B. zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, aus Aluminium besteht.

Die Behälterformen werden vielfach durch Umformen hergestellt.

Dabei besteht in der Regel der gesamten Behälter aus einheitlichem Material, wobei Werkstoffe Werkstoffkombination und Dicke z. B. nach der thermischen, korrosiven oder mechanischen Beanspruchung des Behälters ausgewählt werden.

In OS 2938976 ist die umformende Herstellung von Kochgeschirren aus Schichtverbundwerkstoff beschrieben. Neben den hohen Werkstoffkosten und der kompli­ zierten Umformtechnik besteht hier ein zusätzlicher Nachteil darin, daß zwar die Wärmeverteilung im beheizten Bodenbereich verbessert wird, aber die wärmeleitende Komponente auch in der Behälterwandung vorliegt. Um eine unerwünschte Wärmeabgabe über die Behälterwandung zu vermeiden, müssen zusätzliche Maßnahmen zur Isolierung der Behälterwand nach außen ergriffen werden, welche ebenfalls den Herstellungsaufwand steigern.

Im Bereich des Kochgeschirrbaus ist es deshalb auch üblich, den Behälterteil des Kochge­ schirrs mit relativ geringer Wandstärke nachträglich mit einer dickeren Bodenplatte aus Aluminium oder anderem gut wärmeleitfähigen Material zu versehen. Üblich ist die Herstellung der Verbindung zwischen Behälter aus nichtrostendem Stahl und der Aluminiumschicht durch Löten (DE 29 38 976) oder Reibschweißen (OS 3730978).

Nachteil dieser Verfahren ist es, daß für größere Kochgeschirre, wie sie in Kantinen, Hotels oder Restaurants verwendet werden und bei denen die Bodenfläche 0,25 qm übersteigen, der Fertigungsaufwand beträchtlich wächst. Für das Löten sind z. B. eine Lotbeschichtung eines Fügepartners sowie leistungsfähige Erwärmungseinrichtungen notwendig. Beim Reib­ schweißen sind sehr große Kräfte erforderlich, um über der großen Bodenfläche den zum Verschweißen benötigten Druck zu erzeugen. Des weiteren ist das Reibschweißen i.d.R. auf kreisförmige Böden beschränkt, eckige oder unsymmetrische Fügeflächen bereiten Schwierig­ keiten.

Zum Verschweißen von Verbundwerkstoffen mit nichtrostendem Stahl sind herkömmliche Schweißverfahren, wie z. B. MIG- oder WIG-Schweißen, auf Grund des hohen Wärmeeintrags in das Schweißgut z. T. ungeeignet (Rißgefahr, Ablösen von Werkstoffschichten) bzw. erfordern spezielle Nahtvorbereitungen und Stoßarten, wie z. B. in DIN 8553 beschrieben.

Es ist weiterhin bekannt, Schichtverbundwerkstoffe mit dem Laser zu verschweißen (DE 42 21 251 A1), wobei in erster Linie Stahl-Kunststoff-Stahl-Verbünde mit Laser­ wärmeleitungsschweißen zur Schalldämmung im Fahrzeugbau gefügt werden. Ein Nachteil besteht darin, daß es bei den bekannten Verfahren erforderlich ist, einzelne Komponenten des Schichtverbundwerkstoffes in der Schweißzone zu entfernen, um eine unerwünschte Beeinflussung der Schweißnahtqualität zu verhindern. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch das Wärmeleitungsschweißen an der Oberfläche eine relativ breite wärmebeeinflußte Zone mit für das Korrosionsverhalten nachteiliger Oxidschichtbehaftung entsteht.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung bezieht sich darauf, die genannten Nachteile zu beseitigen, indem Konstruktion und Herstellungsverfahren so aufeinander abgestimmt werden, daß der so gefertigte Behälter besonders günstige Funktionseigenschaften aufweist sowie fertigungs­ technisch günstig und materialsparend hergestellt werden kann.

Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik

• I. Senkung des Fertigungsaufwandes durch hochproduktive Fügemethode und Verringerung des Aufwandes für die Nahtvorbereitung und Nacharbeit
• II. höhere Flexibilität bezüglich Konstruktion und Fertigung
• III. Verbesserung der Funktionalität der Behälter, insbesondere durch beanspru­ chungsgerechte Funktionsflächen
• IV. Material- und Masseeinsparung durch optimierten Werkstoffeinsatz.

Lösungsweg

Der (erfindungsgemäße) Behälter besteht aus durch hochproduktives und funktionsgerechtes, im weiteren noch näher beschriebenes (erfindungsgemäßes) Fügen miteinander verbundenen Einzelteilen. Diese können dadurch vorteilhafterweise bezüglich der statischen und/oder dynamischen Festigkeit und/oder des Korrosions- und Verformungsverhaltens und/oder der thermischen und/oder der hygienischen und/oder ästhetischen und strömungstechnischen Eigenschaften optimale Funktionsflächen aufweisen.

Die Einzelteile sind ebene und/oder geformte Bleche und/oder andere Formteile beliebiger Form und Größe und bestehen in der Regel aus nichtrostendem Stahl und können entsprechend der funktionellen Anforderung an das Einzelteil verschiedene Oberflächeneigenschaften und/oder Dicken besitzen. Weiterhin können sie aus Schichtverbundwerkstoffen bestehen, wobei eine Komponente wiederum nichtrostender Stahl ist. Es ist aber prinzipiell auch möglich, Bleche und/oder Formteile aus anderen, hier nicht näher bezeichneten, funktions­ gerechten Werkstoffen zu verwenden.

Die Einzelteile können bereits vor dem Fügen einem Umformprozeß unterzogen worden sein, es können aber auch nach dem Fügen Umformprozesse vorgenommen werden.

Das thermische Fügen erfolgt durch Strahlverfahren, wie fokussierte Laserstrahlen und Elektronenstrahl. Damit sind sowohl die geringe thermische Beeinflussung der Nahtumgebung als auch ein funktionsgerechtes Fügen mit minimalem aufgeschmolzenen Volumen als Voraussetzung für eine geringe Nacharbeit und gute Korrosionsbeständigkeit gewährleistet.

Ein wichtiges Wesensmerkmal der Lösung besteht darin, daß die Einzelteile konstruktiv so beschaffen sind, daß sie sich an den Fügestellen überlappen und mehrere Nähte nebeneinander geschweißt werden.

Diese übernehmen unterschiedliche Funktionen im fertigen Bauteil (z. B. Festigkeit und Dichtheit). Von wesentlicher Bedeutung ist dabei weiterhin, daß durch die überlappende Ausführung der Schweißnähte kein bzw. ein nur unwesentlicher, geringer Nahtvor­ bereitungsaufwand und/oder Vorrichtungsaufwand für das Positionieren und Formspannen der Bleche und/oder Formteile erforderlich sind.

Beim Strahlschweißen wird vorzugsweise der Tiefschweißeffekt genutzt, d. h. daß ein Tiefen- Breitenverhältnis der Naht kleiner 1 vorliegt.

Die Nähte werden je nach technologischem Erfordernis bzw. je nach Lage und Zugänglichkeit vorzugsweise zeitlich nacheinander hergestellt.

An der der Innenseite des Behälters zugewandten Kante des Überlappbereiches verläuft immer eine durchgehende Naht, die in der Regel die dichtende Funktion übernimmt und hohen ästhetischen Ansprüchen genügen muß.

Ein weiteres Wesensmerkmal besteht darin, daß eine oder mehrere Nähte, sofern sie nicht an der der Innenseite des Behälters zugewandten Kante des Überlappbereiches liegen und keine Dichtheitsforderung zu erfüllen haben, in Abhängigkeit von der geforderten Festigkeit nicht durchgehend geschweißt werden müssen.

Das Verfahren ermöglicht weiterhin auch ein problemloses Fügen von plattierten Teilen mit anderen Behälterteilen ohne Entfernen von einzelnen Schichten und ohne Einschränkung der Gestaltungsvielfalt. Die bei Strahlverfahren prinzipiell gegebene exakte Steuerbarkeit und Lokalisierbarkeit der Wärmequelle wird hierbei so genutzt, daß beim Verschweißen z. B. eines Bleches aus nichtrostendem Stahl mit einem mit nichtrostendem Stahl plattierten Teil ein Aufschmelzen der nicht aus nichtrostendem Stahl bestehenden Werkstoffkomponente des plattierten Teiles vermieden wird.

Das Strahlschweißen, z. B. das Laserstrahlschweißen kann mit und ohne Zusatzwerkstoff ausgeführt werden. Der Einsatz von Zusatzwerkstoff kann z. B. bei dichtenden Nähten zur Volumenkompensation notwendig oder sinnvoll werden.

Eine besondere Verfahrensweise kann dadurch realisiert werden, daß die Naht an der der Innenseite des Behälters zugewandten Kante als Lötverbindung ausgeführt wird. Dabei kann das Löten sowohl zeitlich unabhängig vom Herstellen einer anderen Schweißnaht, aber auch gleichzeitig mit dem Schweißen einer Naht erfolgen.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der erfindungsgemäßen Lösung soll am Beispiel der Komponenten Behälterkörper und Boden einer Kippbratpfanne näher erläutert werden (Fig. 1).

Der das Behältervolumen umschließende, nach Art eines Mantels ausgebildete Behälterkörper (1) aus nicht rostendem Stahl, der funktionsgemäß wenig Wärme abgeben soll, wird durch Tiefziehen hergestellt. Der Boden bleibt dabei offen oder wird nach dem Tiefziehen eines napf­ förmigen Rohlings so ausgeschnitten, daß ein für das Reinigen günstiger, umlaufender nach innen gerundeter Übergang (2) vorhanden bleibt. Anschließend wird der Behälterkörper (1) mittels Laserschweißen am Übergang (2) mit einem Boden (3) aus einem Schichtverbundwerk­ stoff, hier ein schergeschnittenes, mit nichtrostendem Stahlblech (3a) plattiertes Aluminium­ blech (3b), verbunden. Der Übergang (2) sitzt auf dem als Deckblech wirkenden Stahlblech (3a) des ebenen Bodens (3) plan auf. Die erfindungsgemäße Nahtanordnung entsprechend der Einzelheit (4) wird in Fig. 2 erläutert.

Gemäß Fig. 2 wird die Fügeverbindung zwischen dem Behälterkörper (1) im Bereich der Auflagefläche durch zwei parallel zueinander verlaufenden Nähte gebildet, nämlich einer Liniennaht (5) und einer Überlappkehlnaht (6). Dabei werden den Schweißnähten (5, 6) unterschiedliche Funktionen zugeordnet. Die Liniennaht (5), die durchgehend oder unterbrochen in Umfangsrichtung entlang der Auflagefläche verläuft und sich zwischen der Innenkante und dem sich vom Boden (3) abhebenden Außenbereich der Auflagefläche befindet, übernimmt im Betrieb vorzugsweise mechanische Belastungen. Die Überlappkehlnaht (6) verbindet die Innenkante der Auflagefläche des Übergangs (2) mit dem Deckblech (3a) des Bodens (3) und dichtet vornehmlich flüssigkeitsdicht ab. Diese Überlappkehlnaht (6) ist in Tiefenrichtung so geneigt, daß ihr in das Deckblech (3a) reichendes Ende unter die Auflagefläche reicht. Abweichungen (7) und (8) bezüglich der Schweißnaht (5) zur Soll­ position (9) sind für die Funktion unbedeutend. Zur Einhaltung der Schweißposition der Überlappkehlnaht (6) können beispielsweise bekannte Nahtverfolgungssensoren genutzt werden.

Die Parameter beim Laserschweißen sind so eingestellt, daß die Einschweißtiefen der Liniennaht (5) und Überlappkehlnaht (6) in das Deckblech (3a) aus nichtrostendem Stahl der plattierten Aluminiumplatte (3b) des Bodens (3) immer geringer als die Materialdicke des Deckblechs (3a) ist, so daß ein Anschmelzen des Aluminiums des Bodens vermieden wird. Damit werden der Rißgefahr im Verbund und einer Verschlechterung des Korrosionsverhaltens vorgebeugt.

Die erforderliche mechanische Nachbehandlung der Schweißverbindungen z. B. Beseitigen der geringen Nahtüberhöhung an der Liniennaht und das Verschleifen der Überlappkehlnaht zur Erzeugung der Sollkontur (10) sowie das Beseitigen der Anlauffarben der Nähte ist vergleichsweise gegenüber WIG-Schweißen unerheblich.

Tiefziehen und Laserschweißen sind hochproduktive Verfahren, so daß eine wirtschaftliche Fertigung gegeben ist. Dabei ist es möglich, den Umformungsprozeß sowohl vor als auch nach der, Herstellung der Schweißverbindung durchzuführen. Auch kann anstelle einer Schweiß­ verbindung an der Innenkante der Ringfläche eine Lötverbindung vorgenommen werden. Dabei ist es zweckmäßig, beide Verbindungen (5, 6) nicht nacheinander sondern gleichzeitig herzustellen, um Energie zu sparen und/oder die Produktionszeit zu verkürzen.

Claims (14)

1. Behälter, insbesondere zum wiederholten Gebrauch für die Herstellung, den Transport und die Aufbewahrung von Nahrungsgütern sowie für die Zubereitung von Speisen und die Reinigung von Geschirr, für Genußmittel, chemische Produkte oder dergleichen, bestehend aus mehreren Blechen und/oder Formteilen aus nichtrostendem Stahl oder aus Stahlblech und/oder Formteilen aus nichtrostendem Stahl und Verbundwerkstoffen mit nichtrostendem Stahl als einer Komponente oder aus Blechen und/oder Formteilen aus nichtrostendem Stahl und Blechen und/oder Formteilen aus einem anderen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einzelteile (1, 3) an den Fügestellen überlappen und längs der Überlappung mehrere nebeneinander angeordnete Verbindungsnähte (5, 6) aufweisen.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mantelförmiger Behälterkör­ per (1) mit einer nach innen gerichteten Auflagefläche auf einem ebenen Boden (3a) plan aufliegt und daß die Verbindungsnähte (5, 6) parallel zueinander in Umfangsrichtung der Auflagefläche verlaufen.

3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Schweißnähte sich über die Gesamtlänge der sich überlappenden Werkstoffbereiche erstrecken.

4. Behälter nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Naht (6) an der der Innenseite des Behälters zugewandten Kante des Überlappbereiches verläuft.

5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Naht (6) in Tiefenrichtung senkrecht oder geneigt verläuft.

6. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Naht (6) eine Lötverbindung ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Behälters nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Verbindungsnaht nach einem Strahlschweißverfahren erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsnaht nach einem Lötverfahren erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß im überlappenden Bereich nebeneinanderliegende Nähte zeitlich nacheinander hergestellt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlschweißen mit Zusatzwerkstoff erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die gefügten Einzelteile einem Umformprozeß unterzogen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötverbindung gleichzeitig mit einer Schweißnaht hergestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlschweißen unter Nutzung des Tiefschweißeffekts durchgeführt wird, wobei das unterliegende Stahlblech in der Tiefe nur teilweise aufgeschmolzen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälterteil aus nichtrostendem Stahl mit einem mit nichtrostendem Stahl plattierten Teil derart verschweißt wird, daß kein Aufschmelzen der nicht aus nichtrostendem Stahl bestehenden Werkstoffkomponente des plattierten Teils erfolgt.