UJI TAK RUSAK KUALITAS LASAN ALUMINIUM DENGAN TEKNIK TOMOGRAFI NEUTRON

Transkripsi

1 UJI TAK RUSAK KUALITAS LASAN ALUMINIUM DENGAN TEKNIK TOMOGRAFI NEUTRON Sutiarso, Fahrurrozi Akbar, Sairun, Setiawan, Juliyani Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Sealatan Banten untuk korespondensi: ABSTRAK UJI TAK RUSAK KUALITAS LASAN PADUAN ALUMINIUM DENGAN TEKNIK TOMOGRAFI NEUTRON. Aluminium dikenal sebagai paduan logam yang sulit untuk dilas dengan cara konvensional. Salah satu teknik yang sering digunakan untuk mengelas aluminium adalah metoda Friction Stir Welding (FSW). Kualitas lasan aluminium dapat ditentukan salah satunya dengan mengamati kedalaman lasan dari produk Al. Untuk mengamati ini yang biasa dilakukan adalah dengan teknik (merusak) metalografi. Teknik lain yang dapat mengamati kedalaman las secara tidak merusak adalah teknik radiografi/tomografi neutron. Telah dilakukan percobaan tomografi neutron untuk mengamati kualitas lasan aluminium yang dilas menggunakan metoda FSW. Lasan dilakukan pada sampel aluminium komersial yang sama dengan ketebalan 2 mm. Pengamatan tomografi menunjukan bahwa hasil lasan tidak dapat diamati dengan jelas karena rendahnya kontras pada citra. Penggunaan lapisan gadolinium pada salah satu bagian yang akan dilas memberikan kontras yang cukup signifikan sehingga profil lasan tersebut dapat diamati. Pengelasan dengan logam yang berbeda yaitu antara aluminium dan tembaga sebaliknya memberikan kontras yang baik pada citra radiografi neutron tetapi tidak pada citra temografi neutron. Dari pengamatan ini dapat disimpulkan bahwa Pengelasan aluminium menggunakan metoda FSW dengan menggunakan parameter rpm 1300 dan feeding speed 13 mm/menit memberikan kedalaman lasan yang baik, kedua permukaan sampel tersambung dengan sempurna. Kata kunci: Aluminium, tomografi neutron, kontras, gadolinium ABSTRACT NON-DESTRUCTIVE INSPECTION OF WELDING QUALITY OF ALUMINIUM ALLOYS USING A NEUTRON TOMOGRAPHY TECHNIQUE. Aluminium it is recognised as an alloy which is difficult to be welded by convensional technique (fusion welding). One of technique which is commonly use to weld aluminium alloys is Friction Stir Welding (FSW) method. One of the aluminium weld quality can be determined by examining the depth of the weld. A common method to examine the weld quality is by means of metallography (destructive method). Another technique which is able to examine the depth of the weld non-destructively is neutron radiography/ tomography technique. Neutron tomography experiment for examining weld quality of an aluminium alloy welded using the FSW method has been carried out. Welding is applied to the same commercial aluminium with 2 mm thickness. Tomography examination reveales that the weld image cannot be clearly examined due to insufficient contrast. The use of gadolinium coating on the one side of the sample to be welded increases the radiograhic and tomographic image constrast significantly therefore the weld profile can be observed. Welding of the dissimilar metal between aluminium and copper on the other hand gives a good contrast in the neutron radiographic image, however it does not so in the neutron tomographic image. From this examination it can be concluded that welding using 1300 rpm and 30 mm/ minute feeding speed gives a good depth of welding by which the both surface is joined together perfectly. Keywords: Almunium, neutron tomograpy, contrast, gadolinium STTN-BATAN & PTAPB BATAN 176 Sutiarso, dkk

2 PENDAHULUAN Paduan aluminium dikenal dengan bahan yang sulit dilas dengan teknik pengelasan konvensional (fusion welding), hal ini disebabkan karena daya hantar panasnya yang tinggi sehingga sulit untuk memanaskan sebagian kecil saja dan disamping itu paduan aluminium mudah teroksidasi sehingga membentuk oksida Al 2 O 3 yang mempunyai titik leleh yang tinggi [1]. Karena sulitnya dilas maka penyambungan aluminium pada tataran aplikasi banyak menggunakan proses rivetting atau pengelingan. Namun belakangan ini telah ditemukan satu teknik pengelasan aluminium yang mulai banyak digunakan orang yaitu menggunakan teknik Friction Stir Welding (FSW). Dengan teknik ini kedua benda yang akan disambung diaduk menggunakan pengaduk (stirrer) dan karena adanya deformasi plastik dan panas yang timbul keduanya akan tersambung dengan sendirinya tanpa memerlukan bahan pengisi (filler) sebagaimana teknik las konvensional. Penjelasan secara rinci tentang teknik FSW telah dilaporkan beberapa peneliti antara lain Khaled (2005) [2], Hamiltona, et.al (2008) [3] dan Saeida, et.al (2010) [3]. Pada penelitian ini telah dilakukan pengamatan kualitas hasil lasan metoda FSW dengan teknik radiografi dan tomografi neutron. Pengamatan kualitas lasan dititik beratkan pada mengetahui kedalaman lasan pada produk lasan dengan metoda tak rusak (non-detsructive test). Dengan metoda radiografi neutron dapat diketahui profil lasan secara 2 dimensi sementara dengan teknik tomografi neutron dapat dilakukan rekonstruksi citra 3D dari benda uji yang kemudian hasil rekonstruksi tersebut dapat dipotong-potong dari berbagai sudut untuk mengetahui kondisi lasan yang dihasilkan. Pengamatan tomografi neutron untuk lasan aluminium biasanya tidak dihasilkan kontras yang cukup baik karena atenuasi neutron terhadap bahan aluminium sangat rendah. Oleh karena itu untuk meningkatkan kontrasnya dilakukan penambahan lapisan gadolinium pada salah satu sisi yang akan dilas sehingga akan memebrikan kontras yang cukup pada produk las yang dihasilkan Pada makalah ini akan dijelaskan hasil pengamatan radiografi dan tomografi neutron terhadap sampel lasan aluminium yang dilas menggunakan teknik FSW. Sebagai pembanding dilakukan pengelasan terhadap dua logam yang berbeda (dissimilar metal) yaitu antara aluminium dan tembaga. Pengambilan data tomografi serta rekonstruksi citra 3D yang dapat menampilkan irisan tampang lintang dari lasan kedua jenis kombinasi logam tersebut akan dibahas. Teknik Tomografi Neutron Tomografi neutron adalah teknik pencitraan yang dapat menampilkan tampang lintang dari sebuah obyek sepanjang sumbu tegaknya. Tomografi lebih dikenal orang sebagai teknik CT scan yang biasa dijumpai dibidang kedokteran untuk melihat gambar irisan tampang lintang dari organ tubuh manusia. Gambar 1 menunjukan contoh dari hasil rekonstruksi dari CT scan dari kepala manusia. Gambar 1. Contoh Hasil CT Scan Pada Kepala Manusia. Gambar Irisan Samping (Kiri) dan Gambar Rekonstruksi Volume (Kanan) [5] Tomografi neutron adalah teknik tomografi yang menggunakan berkas neutron sebagai medianya. Daya tembusnya yang tinggi terhadap bahan logam dan diserap dengan baik oleh bahan non-logam maka neutron banyak digunakan untuk mengamati produk industri terutama untuk mengamati struktur internal bahan yang terbuat dari campuran logam dan non-logam. Gambar 2 menunjukan contoh dari tomografi neutron untuk produk industri (koil mobil) yang dilakukan menggunakan fasilitas tomografi neutron, RN1 di BATAN Serpong [6]. Gambar 2. Hasil Rekonstruksi Dari Koil Mobil Kijang (a) Foto Koil Kijang (b) Radiografi Neutron Dari Koil (c) Rekonstruksi Citra (d) Gambar Irisan [6] Sutiarso, dkk 177 STTN-BATAN & PTAPB-BATAN

3 Tomografi neutron dilakukan menggunakan fasilitas radiografi neutron dengan mengganti sistim perekam citra dari film dengan kamera dan mengganti meja sampel dengan meja putar (rotary table). Gambar 3 menunjukkan setup dari peralatan tomografi neutron. Sistim tomografi neutron yang digunakan terdiri dari meja putar, skrin sintilator dan kamera untuk perekam citra. Gambar 3. Sistim Tomografi Neutron [7] Neutron yang datang dari tabung berkas S2 reaktor G.A.Siwabessy ditembakkan ke benda uji (obyek) yang diletakkan di atas meja putar, selanjutnya neutron yang ditransmisikan oleh benda uji tersebut dilewatkan melalui sebuah skrin sintilator Li 6 -ZnS yang mengubah neutron tersebut menjadi cahaya tampak yang kemudian ditangkap oleh kamera CCD. Untuk melindungi kamera dari berkas langsung digunakan cermin TiO 2 dengan reflektivitas 95% yang diletakkan pada posisi 45 o terhadap sinar datang. Cermin, skrin sintilator dan kamera ditempatkan dalam sebuah kotak kedap cahaya (dark box) sehingga hanya cahaya dari sintilator saja yang ditangkap oleh kamera. Kamera CCD dihubungkan dengan komputer untuk menampilkan data yang ditangkap oleh kamera CCD tersebut. Untuk melindungi kamera dari hamburan berkas neutron dan gamma. disekitar kamera dipasang pelindung radiasi dari timbal (Pb) dan boron karbida (B 4 C) [4]. Kamera CCD yang digunakan adalah dari Andor Technology dengan tipe ikon M DD-934N BV yang memiliki resolusi tinggi dengan jumlah piksel 1024 x 1024 dan ukuran piksel 13 x 13 m. Kamera tersebut memiliki Quantum Efficiency (QE) 95% untuk panjang gelombang nm. Presisi yang tinggi dari sistim elektronik CCDnya didukung oleh digitisasi 16 bit (gray level 65535). Kamera ini dilengkapi dengan pendingin peltier yang mampu mendinginkan CCD hingga -100 o C. Dengan sistim pendingin ini noise (dark current) mampu ditekan hingga e/pix/det. [8]. Lensa yang digunakan untuk kamera ini adalah Nikon dengan spesifikasi 50 mm F 1.4 yang diatur fokusnya secara manual. METODOLOGI Percobaan Tomografi Percobaan tomografi neutron dilakukan dengan cara memutar obyek dari 0 o hingga 180 o saat penyinaran dengan berkas neutron dan pengambilan data dilakukan setiap selang sudut 1 o sehingga rekonstruksi citra dilakukan menggunakan 180 gambar (frame). Waktu yang diperlukan pengambilan data menggunakan fasilitas tomografi neutron RN1, dengan waktu eksposur 4 detik adalah 27 menit per sampel. Pada percobaan ini yang digunakan sebagai obyek adalah lasan aluminium dengan ketebalan 2 mm yang dilas menggunakan metoda Friction Stir Welding (FSW) dengan parameter rpm : 1300 dan feeding rate : 30 mm/ min. menggunakan fasilitas mesin Frais di Universitas Sebelas Maret (UNS) Solo. Dengan tomografi neutron inni diharapkan dapat diperoleh rekonstruksi citra 3D dari sampel lasan dan kemudian dapat diperoleh informasi mengenai profil lasan tanpa harus merusak sampel yang diamati. Proses rekonstruksi citra dilakukan menggunakan perangkat lunak Octopus 8.5 yang dikembangkan berdasarkan algoritma filtered- back projection. Keluaran dari pengoalahan data menggunakan perangkat lunak tersebut adalah gambar irisan tampang lintang dari obyek tersebut sepanjang sumbu vertikalnya. Dengan menggunakan perangkat lunak visualisasi citra VG Studio 2.1, data tampang lintang yang dihasilkan tersebut (voxel data) dapat ditampilkan dalam bentuk citra 3 dimensi. Karena proses rekonstruksi melibatkan jumlah data yang cukup besar maka diperlukan komputer dengan kecepatan prosesor yang tinggi dengan memory yang cukup besar untuk mempercepat proses rekonstruksi. Dengan jumlah irisan 600 buah diperlukan waktu 10 menit menggunakan komputer dengan dua buah prosesor 64 bit, 2,3 GHz dengan memory 16 Gbytes untuk merekonstruksi citra HASIL DAN PEMBAHASAN Foto dari sampel aluminium-aluminium komersial yang dilas dengan metoda FSW dan hasil rekonstruksi tomografinya menggunakan Octopus 8.5 dan VGStudio 2.1 ditunjukkan pada Gambar 4. Dari Gambar 4 diatas tampak bahwa hasil radiografi dan tomografi neutron dari lasan aluminiumaluminium tidak memberikan kontras yang cukup tinggi untuk dapat menampilkan profil lasan yang dihasilkan. Hal ini disebabkan karena atenuasi neutron terhadap logam aluminium sangat rendah sehingga hampir seluruh berkas ditransmisikan STTN-BATAN & PTAPB BATAN 178 Sutiarso, dkk

4 sehingga tidak menghasilkan profil citra lasan yang diinginan. samping dapat terlihat dengan jelas (Gambar 5d). Pada gambar tersebut khususnya di onset Gb. 5f tampak dengan jelas bahwa pengelasan FSW dapat menembus ketebalan sampel. Gambar 4. Hasil Rekonstruksi Citra Dari Sampel Lasan Aluminium-Aluminium. (a) Foto Lasan FSW Aluminium, (b) Radiografi Neutron Dari Sampel Lasan, (c) Rekonstruksi Citra Dan (d) Gambar Irisan. Dari Gambar 4 diatas tampak bahwa hasil radiografi dan tomografi neutron dari lasan aluminium-aluminium tidak memberikan kontras yang cukup tinggi untuk dapat menampilkan profil lasan yang dihasilkan. Hal ini disebabkan karena atenuasi neutron terhadap logam aluminium sangat rendah sehingga hampir seluruh berkas ditransmisikan sehingga tidak menghasilkan profil citra lasan yang diinginan. Demikian juga dengan hasil rekonstruksi citra tomografi 3D (Gambar 4c) profil lasan hanya terlihat samar-samar dan ketika dilakukan pemotongan terhadap hasil rekonstruksi citra (Gambar 4d) tidak dapat ditunjukkan dengan jelas profil lasannya. Selanjutnya dilakukan penambahan lapisan gadolinium oksida (zat peningkat kontras) pada salah satu sisi dari benda yang akan dilas. Hasil radiografi dari lasan yang dihasilkan menunjukkan peningkatan kontras citra yang cukup signifikan (Gambar 5b). Hal ini sesuai dengan hasil pengamatan yang dilakukan Porter (1971) [9] yang menytakan bahwa penggunaan gadolinium pada lasan aluminium meningkatkan kontras yang signifikan pada citra radiografi. Dari Gambar 5 tampak bahwa penggunaan lapisan gadolinium yang dikenakan pada satu sisi dari aluminium tersebut sebelum dilakukan pengelasan memberikan perubahan kontras yang cukup signifikan (lihat Gb.5b ). Demikian juga pada gambar rekonstruksi kontras citra cukup tinggi (Gambar 5c) sehingga profil lasan dari tampak Gambar 5. Hasil Rekonstruksi Citra Dari Sampel Lasan Aluminium-Aluminium Dengan Penambahan Lapisan Gadolinium (a) Foto lasan FSW aluminium, (b) radiografi neutron dari sampel lasan, (c) rekonstruksi citra dan (d) gambar dua irisan yang berbeda, (e) dan (f) gambar onset menunjukkan profil lasan dari dua irisan yang berbeda. Lasan Logam Berbeda (Dissimilar Metal) Sebaliknya penggunaan disimilar metal seperti aluminium- tembaga tampak memberkan kontras yang cukup tinggi pada citra radiografi neutron (Gb.6b) hal ini kemungkinan faktor atenuasi antara kedua logam cukup berbeda sehingga memberikan kontras yang cukup berarti. Sehingga tidak diperlukan contrast agent seperti halnya gadolinium untuk dapat melihat profil lasannya. Namun dari pengamatan hasil rekonstruksi citranya tidak memberikan kontras yang sama dengan gambar radiografi (Gambar 6c), kedua jenis logam yang berbeda Al dan Cu tidak memberikan perbedaan kontras pada citra tomografinya. Sehingga profil lasan untuk Al-Cu tidak dapat diamati dengan jelas dengan teknik tmografi neutron. Sutiarso, dkk 179 STTN-BATAN & PTAPB-BATAN

5 DAFTAR PUSTAKA Gambar 6. Hasil Rekonstruksi Citra Dari Sampel Lasan Aluminium-Tembaga (a) Foto lasan FSW aluminium-tembaga, (b) radiografi neutron dari sampel lasan, (c) rekonstruksi citra dan (d) gambar irisan KESIMPULAN Dari hasil percobaan ini dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Teknik tomografi neutron dapat digunakan untuk mengamati profil lasan. 2. Karena rendahnya kontras pada citra tomografi pada sampel lasan aluminiumaluminium maka profil lasan tidak dapat diamati. 3. Penggunaan lapisan gadolinium pada salah satu bagian benda yang dilas dapat meningkatkan kontras sehingga profil lasan dapat diamati dengan jelas. 4. Sampel lasan dissimilar metal: aluminium tembaga memberikan kontras yang cukup pada citra radiografi neutron, namun tidak demikian dengan citra tomografi neutron. 5. Sampel lasan FSW aluminium-aluminium dengan ketebalan 2 mm dapat diamati profil lasanya dengan bantuan penambahan gadolinium dan dengan satu kali pengelasan dengan metoda FSW dapat diperoleh kedalaman lasan dengan penuh. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada Kemenristek yang telah membiayai proyek penelitian ini melalui program insentif PKPP 2012 dengan judul proyek : Pemanfaatan Teknik Berkas Neutron Untuk Analisis Kualitas Hasil Pengelasan Bahan Industri Menggunakan Metode Friction Stir Welding. 1. Burford, D, Widener, C, and Tweedy, B, Advances in Friction Stir Welding for aerospace applications, Airframer 3, Nov Terry Khaled, An outsider looks at FSW, Report No. ANM-112N 05-06, July Hamiltona, C, Dymekb, A. Sommers, A thermal model of friction stir welding in aluminum alloys, International Journal of Machine Tools & Manufacture 48 (2008) Saeida, T., Abdollah-zadehb, A., Sazgari, B., Weldability and mechanical properties of dissimilar aluminum copper lap joints made by friction stir welding, Journal of Alloys and Compounds 490 (2010) Cherry S, Dahlbom M, and Hoffman EJ. Three-dimensional PET using a conventional multi-slice tomograph without septa. Journal of Computer Assisted Tomography, 15: , Sutiarso, Fahrurrozi. A, Bharoto, Setiawan dan Juliyani, Pengembangan Tomografi Neutron di Reaktor G.A.Siwabessy Untuk Uji Tak Rusak Bahan Industri, Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi Nuklir PTNBR BATAN Bandung, 22 Juni Sutiarso, Fahrurrozi.A, Bharoto, Setiawan, Juliyani, Tomografi Neutron 3D di Reaktor RSG-GAS Untuk Uji Tak Rusak Komponen Industri, Prosiding Seminar Nasional Penelitian dan Pengelolaan Perangkat Nuklir, PTAPB Yogyakarta, Juli Sutiarso, Fahrurrozi, Sairun, Setiawan, Juliani, Pemanfaatan Fasilitas Radiografi Neutron Di Reaktor RSG-GAS Untuk Inspeksi Berbagai Produk Industri, Prosiding Seminar Nasional Teknologi dan Aplikasi Reaktor Nuklir, Serpong, Oktober Porter, C.R and Oreg, C., Neutron Radiography of Weld Joints, US Patent, 3, 612, 874, Oct 12, 1971 TANYA JAWAB Pertanyaan 1. Apakah teknik Tomografi Neutron sama dengan SEM/ TEM? (Mike Susmikanti) 2. Bagaimana metode untuk mengembalikan bentuk citra kembali ke bentuk aslinya?(mike Susmikanti) 3. Apa fungsi dari Gadolinium? (Kristiyanti) 4. Uji Tak Rusak yang dimaksud apakah hanya mengamati hasil las-an? Apakah tidak sampai mengetahui kualitas las-an? (Djiwo Harsono) STTN-BATAN & PTAPB BATAN 180 Sutiarso, dkk

6 Jawaban 1. Tidak, SEM/TEM biasa digunakan untuk benda-benda berukuran nano/ mikro dan hanya bagian permukaan yang diamati. 2. Metode tomografi (mengamati benda 2 kali berukuran makro dan direkonstruksi menjadi 3 dimensi) 3. Meningkatkan koefisien atenuasi sampel karena dari tabel/ grafik koefisien atenuasi masa, Gadolinium memiliki koefisien atenuasi yang lebih besar dari Aluminium. 4. Tidak, kualitas las-an tidak/belum dapat diamati. Sutiarso, dkk 181 STTN-BATAN & PTAPB-BATAN