PENGARUH FEED RATE TERHADAP SIFAT MEKANIK PADA FRICTION STIR WELDING ALUMUNIUM

Transkripsi

1 PENGARUH FEED RATE TERHADAP SIFAT MEKANIK PADA FRICTION STIR WELDING ALUMUNIUM Jarot Wijayanto 1 1 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Banjarmasin Jl. Brigjend H.Hasan Basri Banjarmasin, Kalimantan Selatan j_wijayanto@yahoo.co.id / jarot@akprind.ac.id ABSTRAK Pengelasan merupakan bagian yang tidak dapat dipisahkan dari peningkatan pengembangan industri, sebab pengelasan memiliki peran utama pada bidang teknik dan perbaikan produkksi. Friction stir welding (FSW) adalah proses pengelasan baru dimana biaya produksinya rendah dan sambungan yang dihasilkan berkualitas baik. Hal itu tidak memerlukan bahan tambah dan cacat retak serta porositas dapat diminimalkan. Pada proses FSW, sebuah tool yang berputar di tekankan pada material yang akan di satukan. Gesekan tool yang berbentuk silindris (cylindrical-shoulder) yang dilengkapi pin/probe dengan material, mengakibatkan pemanasan setempat yang mampu melunakan bagian tersebut. Penelitian ini akan meganalsis sifat mekanik dari hasil pengelasan dengan putaran pada mesin 3600rpm dan vareasi laju kecepatan proses (feed rate) 40 mm/mnt, 64 mm/mnt, 93 mm/mnt, 200 mm/mnt dan 320 mm/mnt. Hasil penelitian menunjukkan terjadi penurunan nilai kekerasan yang signifikan pada daerah logam las, HAZ dan logam induk terhadap material induknya, tetapi untuk variabel 320 mm/mnt terjadi penyempitan daerah lasan. Nilai kekerasan raw material adalah ± 55 VHN dan pada daerah pusat las mencapai ± 37.5 VHN yang dipengaruhi temperatur cukup tinggi saat proses pengelasan. Nilai tegangan dan regangan yang paling baik adalah pada variabel 320(8.86 kg/mm 2 ; 2.17%). Sedangkan nilai tegangan terendah terjadi pada variable 64 mm/mnt (5.75 kg/mm 2 ) dan nilai regangan terendah terjadi pada variabel 200 mm/mnt (1.02%). Keywords: friction, fate rate, shoulder, PENDAHULUAN Pengelasan merupakan suatu proses penting di dalam dunia industri dan merupakan bagian yang tak terpisahkan dari pertumbuhan industri, karena memegang peranan utama dalam rekayasa dan reparasi produksi logam. Pengelasan adalah proses penyambungan setempat antara dua bagian logam atau lebih dengan memanfaatkan energi panas. Pengelasan merupakan teknik penyambungan logam yang dipergunakan secara luas, seperti pada kontruksi bangunan baja dan kontruksi mesin. Luasnya penggunaan teknologi pengelasan dikarenakan dalam proses pembuatan suatu kontruksi bangunan atau mesin akan menjadi lebih ringan dan lebih sederhana, sehingga biaya produksi menjadi lebih murah dan lebih efisien. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang begitu pesat menuntut kembangnya sumber daya manusia. Banyak orang yang berusaha mengembangkan dalam mencari efisiensi-efisiensi yang lebih baik di bidang teknik pengelasan. Pengelasan merupakan bagian tak terpisahkan dari pertumbuhan peningkatan industri karena memegang peranan utama dalam rekayasa dan reparasi produksi logam. Lingkup penggunaan teknik pengelasan dalam bidang konstruksi sangat luas, meliputi perkapalan, jembatan, rangka batang berupa Baja atau Aluminium, pipa saluran dan lain sebagainya. Karena itu rancangan las harus betul-betul memperhatikan kesesuaian antara sifat-sifat las yaitu kekuatan dari sambungan dan memperhatikan sambungan yang akan dilas, sehingga hasil dari pengelasan sesuai dengan yang diharapkan. Dalam memilih proses pengelasan harus dititik beratkan pada proses yang paling sesuai untuk tiap-tiap sambungan las yang ada pada konstruksi. Dalam hal ini dasarnya adalah efisiensi yang tinggi, biaya yang murah, penghematan tenaga dan penghematan energi sejauh mungkin. Mutu dari hasil pengelasan disamping tergantung dari pengerjaan lasnya sendiri, juga sangat tergantung dari persiapan sebelum pelaksanaan pengelasan, karena pengelasan adalah proses penyambungan antara dua bagian logam atau lebih dengan memanfaatkan energi panas. Friction Stir Welding (FSW) adalah suatu proses pengelasan baru yang ditemukan di TWI (The Welding Institute) oleh Wayne Thomas pada A-325

2 tahun Aplikasi harian Friction Stir Welding masih dikembangkan, seperti variasi desain tool, perbaikan teknik pengelasan dan perbaikan material tool baru untuk dapat memperpanjang umur pakai tool. Friction Stir Welding adalah proses pengelasan yang input panasnya didapatkan dari hasil gesekan antara tool yang digunakan dengan benda kerja (work piece). Temperatur cair material tool harus lebih tinggi dari benda kerja yang akan disambung agar pada saat pengelasan berlangsung tool tidak menyatu pada benda kerja. Metode ini menghasilkan daerah TMAZ (Thermomechanically Affected Zone) yang lebih kecil dibandingkan dengan pengelasan busur nyala. Selama ini pengelasan dengan metode FSW diterapkan pada Aluminium. Pengelasan ini telah berhasil menekan biaya proses pengelasan menjadi lebih murah karena pengelasan ini hanya membutuhkan input energi yang rendah dan tidak menggunakan filler metal. Kualitas hasil pengelasan Friction Stir Welding memiliki permukaan yang lebih halus dan rata dari hasil pengelasan tradisional lain, kuat dan tidak ada pori-pori yang timbul seperti pada proses pengelasan yang menggunakan busur nyala dan filler materials. Proses ini ramah terhadap lingkungan karena tidak ada uap atau percikan yang dihasilkan dan tidak ada silauan busur nyala atau pantulan sinar seperti pada fusion welding yang dapat merusak mata ketika proses pengelasan sedang berlangsung. Metode pengelasan Friction Stir Welding dapat digunakan untuk pengelasan similar metal atau disimilar metal. Kekurangan pengelasan dengan metode friction stir welding adalah dibutuhkan kekuatan yang sangat tinggi untuk proses clamping material las agar tidak bergerak ketika pengelasan sedang berlangsung, Tidak fleksibel dibandingkan pengelasan busur nyala, Untuk aplikasi pengelasan pada material berbeda dan ketebalan material yang berbeda maka tool yang digunakan juga dengan ukuran yang berbeda dan Membutuhkan mesin yang tangguh. METODE Benda kerja yang digunakan untuk penelitian adalah alumunium 6110 dengan komposisi 0.12% Si, 0.87 Fe, 0.22 Cu, 0.25 Mn, 0.75 Mg, 0.01 Cr, 0,02 Ni, 0.33 Zn, 0.28 Ti, 0.01 Pb, 0.01 Ca, 0.02 Zr. yang berupa plat ketebalan 3,8 mm. Proses pengelasan menggunakan kecepatan putar mesin 3600 rpm dengan variabel feed rate 40 mm/mnt, 64 mm/mnt, 93 mm/mnt, 200 mm/mnt dan 320 mm/mnt.. Penggunaan tool mengunakan baja EMS 45 dengan dimensi pin panjang 3 mm, diameter bawah 3 mm, dengan tirus 5 0 dan diameter shoulder 20 mm. Aluminium merupakan logam ringan yang mempunyai ketahanan korosi dan hantaran listrik yang baik. Kebanyakan alumunium digunakan untuk peralatan rumah tangga, tetapi alumunium juga digunakan sebagai material untuk pembuatan pesawat terbang, mobil, kapal laut dan kontruksi. Penambahan unsur Cu, Mg, Si, Mn, Zn, atau SI dalam paduan alumunium ditujukan untuk menambah sifat mekanik atau fisik sehingga didapat sifat-sifat yang lain, seperti koefisien pemuaian rendah, ketahanan aus dan lain sebagainya. Paduan aluminium diklasifikasikan dalam berbagai standar oleh berbagai negara di dunia. Saat ini klasifikasi yang sangat terkenal adalah standar Aluminium Association (AA) di Amerika yang didasarkan atas standar terdahulu dari ALCOA (Aluminium Company of Amerika). Standar AA dinyatakan dengan penandaan dengan 4 angka dimana angka pertama menyatakan sistem paduan dengan unsur-unsur yang ditambahkan. Alumunium seri 6110 termasuk dalam golongan paduan alumunium seri 6xxxx, yaitu AlMg 2 Si.Paduan dalam system ini mempunyai kekuatan kurang sebagai barang tempaan dibandingkan dengan paduan-paduan lainnya, tetapi sangat liat, sangat baik mampu bentuknya untuk penempaan,ekstrusi dll, dan sangat baik untuk mapu bentuk yang tinggi pada temperature biasa (Surdia. T., 1985). Gambar 1 menunjukkan diagram fasa Al-Mg-Si dimana kalau sedikit Mg ditambahkan kepada Al, pengerasan penuaan sangat jarang terjadi. Tetapi apabila secara simultan mengandung Si, maka dapat dikeraskan dengan penuaan panas setelah perlakuan pelarutan (Surdia. T., 1985). Diagram fasa Al-Mg-Si menunjukan bahwa kelarutan yang menurun dari Mg 2 Si terhadap larutan pada Al dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Gesekan dua benda yang terus-menerus akan menghasilkan panas, ini menjadi suatu prinsip dasar terciptanya suatu proses pengelasan gesek. Pada proses Friction Stir Welding, sebuah tool yang berputar ditekankan pada material yang akan disatukan. Gesekan tool yang berbentuk silindris (cylindrical-shoulder) yang dilengkapi dengan sebuah pin/probe dengan material mengakibatkan A-326

3 pemanasan setempat yang mampu melunakkan bagian tersebut. Tool bergerak pada kecepatan tetap (parameter 1) dan bergerak melintang (parameter 2) pada jalur pengelasan (joint line) dari material yang akan disatukan. Dua parameter itu digerakkan bersama-sama untuk menjaga temperatur pada titik pengelasan. Logam dasar dipanaskan lebih dulu temperaturnya mencapai 80% dari titik leburnya sehingga menjadi lembut dan mudah disambung. Gesekan yang ditimbulkan antara tool dan benda kerja akan menghasilkan panas yang akan mambuat logam terbentuk sebuah aliran plastic yang efektif dari kedua buah logam yang disambung. Gambar 1. Diagram fasa Al-Mg-Si Proses pengelasan FSW ini tidak sama dengan proses Fusion Welding, proses pengelasan FSW merupakan metode pengelasan fasa padat, sehingga proses ini menghasilkan sebuah sambungan yang kuat dan juga memiliki sifat mekanis yang bagus. Panjang dari pin sedikit lebih rendah dari pada kedalaman atau tebal material yang akan dilas agar tidak bersentuhan dengan alas. Shoulder harus bersentuhan dengan material yang akan dilas untuk menekan dan menjaga material yang dalam kondisi lunak. Gambar 2. Prinsip Friction Stir Welding (FSW) Pengelasan FSW memerlukan input energi yang rendah dan tidak menggunakan filler material. Dikembangkan untuk material non-ferrous seperti Aluminium. Dengan penggunaan material tool yang tepat, maka dalam sebuah proses pengelasan titik lebur tool harus lebih tinggi dan lebih keras dari material yang akan dilas. Jadi sangat penting bahwa material tool harus mempunyai kekuatan yang cukup, jika tidak tool dapat terpuntir dan retak. Pada Friction Stir Welding (FSW) sebuah tool yang berbentuk silindris (cylindrical-shoulder) yang dilengkapi dengan sebuah shoulder dan sebuah probe yang dapat berintegrasi atau sebagai pemisah dari kemungkinan masuknya suatu material berbeda. Desain shoulder dan probe sangat penting untuk kualitas las, yang mana probe dari tool menghasilkan A-327

4 panas dan menggerakkan material yang sedang dilas, shoulder juga berperan pada bagian penting yaitu menyediakan friction treatment tambahan seperti halnya mencegah material plasticised lepas dari daerah las. Selain itu keduanya juga bergerak pada kecepatan tetap dan bergerak melintang pada kedua sambungan dari material yang akan disatukan. Rancangan tool adalah faktor yang sangat mempengaruhi kualitas hasil lasan, karena rancangan tool yang tepat dapat meningkatkan kualitas las dan kecepatan las semaksimal mungkin Gambar 3. Proses FSW Gambar 4. Skema FSW. Panas yang dihasilkan dari gesekan tool dan material yang akan dilas sekitar 80% dari temperatur titik lebur material yang akan dilas. Material tool harus memiliki titik cair yang lebih tinggi dari material las, agar ketika proses pengelasan berlangsung material tool tidak ikut tercampur dengan lasan. Material tool harus mempunyai kekuatan yang cukup pada temperatur ini karena jika tidak maka tool dapat terpuntir dan retak. Oleh sebab itu diharapkan material tool cukup kuat, keras dan liat pada suhu pengelasan. Sebaiknya material yang digunakan juga mempunyai ketahanan oksida yang baik dan penghantar panas rendah untuk mengurangi kerugian panas dan kerusakan termal pada mesin. Pegangan tool pin Gambar 5. Design of tool Shoulder A-328

5 Study literatur Persiapan material (Al 6110) Pembuatan shoulder Persiapan peralatan pengelasan (dial indicatore,pencekam,kunci pas, dan lain-lain) Proses pengelasan FSW Persiapan uji material Uji tarik Uji kekerasan Analisa dan pembahasan Kesimpulan Gambar 6. Flow chart penelitian PEMBAHASAN Uji Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan di sepanjang garis pengelasan seperti ditunjukkan pada Gambar 6 dengan jarak antar titik ±1mm sebanyak 31 titik pengujian. Standart yang digunakan dalam pengujian kekerasan ini adalah ASTM E Tujuan dari pengujian kekerasan ini adalah untuk mengetahui seberapa besar pengaruh pengelasan terhadap nilai kekerasan didaerah sepanjang las, HAZ dan logam induk. Gambar 7. Daerah-daerah pengelasan Keterangan : A.Logam induk ; B.Daerah HAZ ; C.Daerah las Gambar 8. Menunjukkan bahwa didaerah las dan HAZ pada pengelasan Simillar aluminium 6101 dengan metode FSW terjadi penurunan yang signifikan dibandingkan material induk logam las. Penurunan nilai kekerasan terjadi pada jarak 6 mm dari pusat las, tetapi rata-rata pada pusat titik las terjadi kenaikan nilai kekerasan mekipun tidak signifikan. Selanjutnya pada jarak 6-12 mm dari pusat las kenaikan nilai kekerasan mulai terjadi hingga nilainya kurang lebih sama dengan material induk. A-329

6 Gambar 8. Grafik kekerasan Aluminium 6110 setelah dilas Pada dasarnya paduan Al-Mg-Si termasuk dalam jenis paduan alumunium yang dapat diperlaku panaskan dan mempunyai sifat mampu potong, mampu las dan daya tahan korosi yang cukup (Okumura. T dan Wiryosumarto. H., 1996). Sifat yang kurang baik dari paduan ini adalah terjadinya pelunakan pada daerah las sebagai akibat panas yang timbul (Okumura. T dan Wiryosumarto. H., 1996). Penurunan nilai kekerasan pada daerah lasan, selain karena karakteristik dari paduan itu sendiri juga disebabkan karena proses pengerasan tidak bisa terjadi ketika proses pengelasan berlangsung. H. Wiryosumarto,1996.,menyatakan bahwa pengerasan akan tercapai bila terjadi pengendapan fasa kedua pada suhu C dalam waktu 6 sampai 20 jam. Karakteristik kekerasan dari hasil pengelasan pada Al-Mg-Si ditunjukkan pada Gambar 8. Uji Tarik Gambar 9. Karakteristik kekerasan hasil pengelasan pada Al-Mg-Si (Mathers.G.,2002) Pengujian uji tarik dilakukan pada material Aluminium 6110 pada logam hasil pengelasan. Dimensi spesimen uji tarik untuk material pengelasan menggunakan standar ASTM E6-69. Hasil yang diperoleh dari proses pengujian tarik berupa nilai tegangan dan regangan dari hasil pengelasan yang akan dibandingkan dengan nilai tegangan dan regangan raw material. Gambar 10. menunjukkan bahwa antara logam induk Aluminium 6110 dengan logam yang sudah dilas memiliki perbedaan tegangan tarik yang sangat signifikan, yang hampir mencapai 50% dari kekuatan raw materialnya. Hal di karenakan pada daerah logam lasan mengalami perubahan stuktur mikro, akibat dari penempaan pada saat pengelasan. Gambar 9. juga memperlihatkan bahwa nilai regangan mengalami perbedaan yang sangat signifikan dibanding regangan yang dimiliki oleh raw materialnya. Hal ini dikarenakan patahan terjadi tepat pada daerah lasan, yang merupakan daerah yang paling banyak mengalami perlakuan teknik, sehingga pada daerah tersebut kekuatan materialnya berbeda. A-330

7 Gambar 10. Grafik tegangan-regangan hasil pengelasan Selain hal itu, perbedaan nilai tegangan dan regangan terjadi karena pada material hasil pengelasan memiliki cacat, baik cacat luar maupun cacat dalam. H. Wiryosumarto,1996., menyebutkan bahwa jika Al-Mg-Si dilas dengan menggunakan logam las yang sama akan menyebabkan retak makanik membujur. KESIMPULAN 1. Pengelasan Alumunium 6110 dengan metode friction stir welding (FSW) dapat dilakukan dengan baik dan hasil pengelasannya mempunyai permukaan yang halus dan bersih. 2. Terjadi penurunan nilai kekerasan yang signifikan pada daerah logam las, HAZ dan logam induk terhadap material induknya, tetapi untuk variabel 320 mm/mnt terjadi penyempitan daerah lasan. Nilai kekerasan raw material adalah ± 55 VHN dan pada daerah pusat las mencapai ± 37.5 VHN. 3. Kekuatan tarik maksimal dan regangan maksimal dari hasil lasan mengalami penurunan yang signifikan jika dibandingkan dengan logam induknya. Diantara variabel yang telah diteliti, nilai tegangan dan regangan yang paling baik adalah pada variable 320(8.86 kg/mm 2 ; 2.17%). Sedangkan nilai tegangan terendah terjadi pada variable 64 mm/mnt (5.75 kg/mm 2 )dan nilai regangan terendah terjadi pada variabel 200 mm/mnt (1.02%). 4. Secara umum,sifat mekanis yang paling baik dari hasil penelitian pengelasan alumunium 6110 dengan menggunakan metode friction stir welding (FSW) terjadi pada feed rate 320 mm/mnt. DAFTAR PUSTAKA Adamowski J. & Szkodo M., 2006, Friction Stir Welds (FSW) of Alumunium Alloy AW 6082 T6, Journals of Achievement in Materials and Manufakturing Engineering, Vol. 20, ISSUES. Anelis A., 2010, Pengaruh Feed Rate Terhadap Sifat Mekanik Pengelasan Friction Stir Welding Alumunium 6110, Skripsi Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta. ASM Handbook, Volume 2., 1990, Properties And Selection : Non Ferrous Alloys And Special Purpose Materials, published by ASM International, Materials Park. ASM Handbook, Volume 8., 1985, Mechanical Testing, published by ASM International, Materials Park. ASTM. D Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating material. Philadelphia, PA : American Society for Testing and Materials. George E. Dieter., 1993, Metalurgi Mekanik, Erlangga, Jakarta. M. Di Pola., 1998, Mechanical And Microstructural Characterisation Of An Aluminum Friction Stir- Welded Butt Joint, Metallurgical Science And Technology. Okumura T. & Wiryosumarto H., 1996, Teknologi Pengelasan Logam, Pradnya Pramita, Jakarta. Shiroku S. & Surdia T., 1984, Pengetahuan Bahan Teknik, Pradnya Paramita, Jakarta. A-331