JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6 1

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) Pengaruh PWHT dan Non PWHT Dengan Las GTAW Terhadap Sifat Mekanik dan Struktur Mikro Pada Pipa ASTM A-106 Grade B I Komang Ardo awamasu dan Rochman Rochiem Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia sekjur_tmaterial@its.ac.id Abstrak Tujuan penelitian ini untuk menganalisa pengaruh post weld heat treatment (PWHT) dan Non PWHT metode pengelasan GTAW terhadap sifat mekanik dan struktur mikro pada pipa ASTM A-106 Grade B. Dimana pada metode pengelasan tersebut masih terjadi kegagalan dan perlu diteliti lebih lanjut penyebabnya. Dalam penelitian ini, pengujian yang dilakukan berupa non destructive test (magnetic particle dan radiography), tensile test, hardness test, metallography (makro dan mikro), uji SEM/EDX, dan uji XRD. Pada pengujian tarik sambungan butt weld dan fillet weld setelah di lakukannya PWHT, keuletan dari masing-masing sambungan las meningkat. Pada pengujian kekerasan, daerah yang memiliki nilai kekerasasn tertinggi terjadi pada daerah HAZ kemudian weldmetal, setelah itu Base metal. Adapun pengaruh PWHT menurunkan nilai kekerasan pada pada sambungan fillet weld. Pengujian metallography menunjukan struktur mikro yang terbentuk adalah ferit dan perlit dimana fasa ferit lebih mendominasi sedangkan pada pengujian XRD didapati penurunan tegangan sisa yang terjadi pada spesimen tanpa PWHT 9,639 Gpa sedangkan dengan PWHT 7,65 Gpa Kata Kunci PWHT, Tegangan Sisa, Struktur Mikro, Keuletan I. PENDAHULUAN asil inspeksi yg dilakukan oleh VICO Indonesia H ditemukan kegagalan pada sambungan las yang ada. Kegagalan yang pernah terjadi pada sambungan sockolet small bore yang terjadi pada sambungan pipa ¾ inch yg terpasang di discharge V-1950 C-1980 pada unit semberah pada tanggal 8 J anuari Dan kegagalan sambungan weldolet small bore terjadi pada sambungan pipa ¾ inch weldolet of 10 discharge line V-1450 Scrubber to Inlet V suction bottle C-1400 unit semberah 13 plant. Kegagalan ini terjadi pada tanggal 17 J anuari Kegagalan tersebut diindikasikan karena pengaruh getaran yang tejadi pada kompresor yang terus menerus yang mengenai sambungan lasan pipa kompresor dan berakibat crack pada material las. menurut DIN (Deutsche Industrie Norman) pengelasan adalah ikatan metalurgi pada sambungan logam atau logam paduan yang dilaksanakan dalam keadaan cair atau leleh. Dengan kata lain, las merupakan sambungan setempat dari beberapa batang logam dengan menggunakan energi panas. Mengelas bukan hanya memanaskan dua bagian benda sampai mencair dan menunggu sampai memebeku kembali, tetapi membuat lasan yang utuh dengan cara memberikan bahan tambah atau elektroda pada saat dipanaskan sehingga mempunyai kekuatan sesuai yang dikehendaki.[5] Daerah lasan terdiri dari tiga bagian yaitu logam lasan, daerah pengaruh panas atau daerah HAZ dan logam induk yang tidak terpengaruh proses las. Logam las adalah bagian dari logam yang pada waktu pengelasan mencair dan kemudian membeku. Daerah HAZ adalah logam dasar yang bersebelahan dengan logam las yang selama proses pengelasan mengalami siklus termal pemanasan dan pendinginan cepat. Logam induk adalah bagian logam dasar di mana panas dan suhu pengelasan tidak menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan struktur dan sifat. Kemudian ada lagi satu daerah khusus dari daerah lasan yaitu daerah batas las yang membatasi antara logam las dengan daerah HAZ atau disebut fusion line.[15] PWHT adalah bagian dari proses heat treatment yang bertujuan untuk menghilangkan tegangan sisa yang terbentuk setelah proses pengelasan selesai. Material terutama carbon steel akan mengalami perubahan stryktur dan grain karena effect dari pemanasan dan pendinginan. Struktur yang tidak homogen ini menyimpan banyak tegangan sisa yang membuat material tersebut memiliki sifat yang lebih namun ketangguhannya lebih rendah. Proses PWHT dapat dilakukan dengan dua cara yaitu memasukkan benda uji kedalam dapur atau melakukan pemanasan setempat localized didekat daerah pengelasan saja. Metode mana yang akan dilakukan lebih bersifat kepada pertimbangan ekonomis saja. Parameter parameter dalam PWHT yang perlu dijaga adalah: 1. Heating rate 2. Holding temperature 3. Cooling Rate [17] A. Preparasi Awal Material II. METODE PENELITIAN Material yang digunakan adalah pipa ASTM A-106 Grade B sebelumnya material dilakukan pengujian spektroanalyzer untuk membandingkan chemical composition dengan yang ada di standart, yang terlihat pada tabel 1

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) pengelasan mendatar atau bawah tangan. Parameterparameter las dan filler metal yang di gunakan di tunjukan pada tabel 2 tabel4, sedangkan desain sambungan las di tunjukan pada gambar 1 \ Tabel 1 Perbandingan Chemical Composition Pipa ASTM A-106 Grade B No. CHEMICAL COMPOSITION STANDART ASTM A106 GRADE B (%) 1. CARBON max ,166 0,205 SESUAI 2. MANGANESE ,464 0,479 SESUAI 3. PHOSPHORUS max ,0118 0,013 SESUAI 4. SULFUR max ,0215 0,026 SESUAI 5. SILICON min ,228 0,282 SESUAI 6. CHROME max ,015 0,082 SESUAI 7. COPPER max ,0166 0,03 SESUAI 8. MOLYBDENUM max ,0018 0,037 SESUAI 9. NICKEL max < 0,0010 0,02 SESUAI 10. VANADIUM max < 0,0010 0,002 SESUAI Preparasi awal spesimen untuk fillet weld material pipa ASTM A-106 Grade B yakni dengan melakukan proses pemotongan (cutting) material pipa ASTM A-106 Grade B nominal pipe size 1 inch tersebut menjadi 14 spesimen yang berukuran 150 mm dan pipa ASTM A-106 Grade B nominal pipe size ¾ inch tersebut menjadi 14 s pesimen yang berukuran 170 mm.pada material pipa ASTM A-106 Grade B nominal pipe size ¾ inch di lakukan pembubutan guna mengurangi outside diameter pipa yang nantinya akan dilakukan fillet weld joint dengan pipa ASTM A-106 nominal pipe size 1 inch. Sedangkan untuk preparasi spesimen butt weld joint masih material pipa yang di gunakan ASTM A-106 nominal pipe size 1 inch. Dilakukan proses pemotongan (cutting) material pipa ASTM A-106 tersebut menjadi 6 spesimen yang berukuran 150 m m. Kemudian dilakukan pembuatan kampuh V dengan sebesar 60. Persiapan akhir material sebelum pengelasan dilakukan yakni dengan membersihkan permukaan logam induk dimana spesimen disikat dengan sikat baja yang bersih sesaat sebelum di las. B. Proses Pengelasan HASIL SPEKTROANALYZER (%) Pipe Size 3/4 inch Pipe Size 1 inch KETERANGAN (a) (b) Gambar 1 (a) Desain Spesimen Sambungan fillet weld antara pipe size ¾ inch (no.1) dan pipe size 1 inch (no.2), (b) Desain Spesimen Sambungan butt weld pipe size 1 inch Setelah dilakukan preparasi awal material dilanjutkan pada proses pengelasan. Langkah-langkah yang dilakukan adalah mempersiapkan mesin las GTAW, kemudian mempersiapkan benda kerja yang akan dilas pada meja las. Adapun posisi pengelasan dengan menggunakan posisi Tabel 2 Parameter pengelasan Butt Weld Joint Tabel 3 Parameter pengelasan Fillet Weld Joint (Leg Size 1:1) Tabel 4 Parameter pengelasan Fillet Weld Joint (Leg Size 1:2) C. Proses Non Destructive Test Pengamatan cacat las hasil pengelasan dilakukan dengan dua metode yakni metode radiografi untuk butt weld joint dan metode magnetic particle untuk fillet weld joint. D. Proses Post Weld Heat Treatment (PWHT) PWHT adalah bagian dari proses heat treatment yang bertujuan untuk menurunkan tegangan sisa yang terbentuk setelah proses pengelasan selesai. Adapun Proses PWHT yang dilakukan dalam penelitian ini mengacu kepada standart ASME Code for Pressure Piping, B (Process Piping) E. Pengujian Tarik Pengujian ini bertujuan untuk mendapatkan Tensile Strength, Yield Strength, dan Elongation. Setelah pengujian dilakukan, didapatkan Kurva P-ΔL yang kemudian harus dtransformasikan kedalam Kurva Tegangan-Regangan. Standart pengujian tarik ini mengacu pada standart ASTM E8. F. Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan untuk mengetahui distribusi kekerasan pada daerah daerah yang terjadi pada proses las antara Base Metal, daerah sekitar lasan HAZ (Heat Affected Zone) dan daerah logam lasan (Weld Metal). Pengujian kekerasan Vickers dilakukan berdasarkan standart ASTM E92. G. Pengujian Metallography Pengujian metallography ini dilakukan pengamatan foto struktur makro dan struktur mikro. Foto struktur makro dilakukan untuk mengetahui hasil pengelasan sekaligus terlihat daerah lebur (fusion zone/weld Metal), daerah Heat Affected Zone/HAZ dan daerah logam induk (Base Metal). Setelah didapatkan potongan melintang yang sudah dietsa maka pengamatan dapat dilakukan secara visual. Sedangkan pengujian struktur mikro bertujuan untuk

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) mengetahui struktur mikro yang terjadi didaerah lasan, HAZ dan logam induk yang terkena panas. Foto struktur mikro di bantu dengan alat mikroskop. Pengujian struktur mikro dilakukan sesuai standar ASTM E-3. H. Pengujian SEM-EDX SEM-EDX bertujuan untuk melihat morfologi permukaan yang terjadi pada spesimen uji dan menganalisa komposisi kimia dengan metoda scanning, pembesarannya bisa sampai 1000x. Pengujian EDX untuk mengetahui senyawa yang terbentuk akibat proses pengelasan. Adanya unsur-unsur penyusun tersebut bisa menjadi pertimbangan penyebab suatu kegagalan dalam proses pengelasan. I. Pengujian XRD XRD merupakan salah satu alat pengujian material yang biasanya digunakan untuk identifikasi unsur/senyawa (analisis kualitatif) dan penentuan komposisi (analisis kuantitatif). Pengujian XRD dilakukan untuk mengetahui perubahan fase struktur bahan dan mengetahui fase-fase apa saja yang terbentuk selama proses pengelasan. Kemudian dilakukan analisa rietveld sebagai analisa kuantitatif, dari analisa tersebut didapatkan parameterparameter untuk nilai regangan, yang kemudian digunakan untuk menghitung tegangan sisa pada permukaan material yang terkena difraksi sinar X. B. Pengujian Tarik Setelah didapatkan hasil transformasi dari kurva P-ΔL ke kurva σ teknik-ɛ teknik, maka didapatkan informasi sifatsifat mekanik spesimen seperti UTS, Yield Strength, dan keuletan material yang ditunjukkan pada gambar 3 hingga gambar 8. Gambar 3 Diagram balok nilai Tensile Strength, dan Yield Strength pada sambungan butt weld. III. HASIL DAN DISKUSI A. Proses Non Destructive Test Pada pengujian magnetic particle inspection pada spesimen fillet weld joint (spesimen 01 hingga spesimen 14) dan pengujian radiography tidak di temukan adanya indikasi cacat las. (seperti ditunjukkan gambar 2) Gambar 4 Diagram balok nilai keuletan pada sambungan butt weld. (a) Gambar 5 Diagram balok nilai Tensile Strength dan Yield Strength pada sambungan fillet weld dengan perbandingan ukuran kaki las 1 : 1 (b) (c) Gambar 2 Hasil radiography test pada posisi film 0 0 dan 90 0 (a) spesimen 1A, (b) spesimen 1B, (c) spesimen 1C Gambar 6 Diagram balok nilai keuletan pada sambungan fillet weld dengan perbandingan ukuran kaki las 1 : 1

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) Tabel 6 Distribusi kekerasan pada sambungan fillet weld Gambar 7 Diagram balok nilai Tensile Strength dan Yield Strength pada sambungan fillet weld dengan perbandingan ukuran kaki las 1 : 2 Gambar 10 Grafik distribusi kekerasan pada sambungan fillet weld Gambar 8 Diagram balok nilai keuletan pada sambungan fillet weld dengan perbandingan ukuran kaki las 1 : 1 Pada Pada hasil uji tarik terjadi perubahan sifat mekanik pada spesimen dengan perlakuan PWHT. Pada sambungan butt weld (spesimen TP 2A - TP 2C) t erjadi peningkatan sifat mekanik yield strength dan UTS, sedangkan pada sambungan fillet weld (spesimen TP-G-4 TP-G-6, TP-G- 12 dan TP-G-13) terjadi penurunan pada sifat mekanik yield strength dan UTS. Namun pada masing masing sambungan terjadi peningkatan sifat keuletan. Dari hasil pengujian distribusi kekerasan yang tertinggi terjadi pada daerah HAZ kemudian diikuti oleh daerah weld metal dan distribusikekerasan yang terendah adalah base metal. Proses pengelasan dan perlakuan PWHT memberikan distribusi kekerasan yang berbeda pada masing-masing daerah. D. Pengujian Metallography Hasil pengujian foto struktur makro disajikan pada data gambar berikut ini : C. Pengujian Kekerasan Hasil pengujian kekerasan disajikan pada tabel data dan grafik berikut ini : Tabel 5 Distribusi Kekerasan pada sambungan butt weld Gambar 11 Foto makro spesimen 1A-1C tanpa PWHT, spesimen 2A-2C PWHT Gambar 12 Foto makro sambungan fillet weld ukuran kaki las 1 : 1 Gambar 13 foto makro sambungan fillet weld ukuran kaki las 1 : 2 Gambar 9 Grafik distribusi kekerasan pada sambungan butt weld Pada pengamatan hasil struktur makro dengan menggunakan larutan etsa reagent nital yang telah dilakukan terdapat lebar HAZ yang berbeda pada setiap

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) spesimen. Pada sambungan butt weld dapat di lihat pada gambar 11 dan sambungan filet weld pada gambar 12 dan gambar 13 daerah HAZ pad hasil foto makro memiliki warna yang lebih cerah dari pada daerah base metal, sedangkan pada daerah weld metal menunjukan ada bercak pada hasil etsa. Lebar HAZ pada spesimen butt weld memliki lebar daerah HAZ yang sama yaitu 6mm, sedangkan pada sambungan fillet weld terjadi varisai lebar HAZ di karenakan heat input yang di terima masingmasing spesimen dengan variasi kaki las yang berbeda. Dimana kaki las 1:2 memiliki daerah HAZ (4,67mm, 5,00mm) lebih lebar dari daerah HAZ dengan ukuran kaki las 1:1 (3,00mm, 3,67mm). Sedangkan PWHT tidak terlalu berpengaruh pada lebar HAZ dikarenakan proses PWHT di lakukan setelah material lasan berada pada temperatur ruangan.. pengujian foto struktur mikro pada sambungan butt weld disajikan pada data gambar 14 (tanpa PWHT) dan gambar 15 (perlakuan PWHT) berikut ini : Gambar 16 (a) Struktur mikro base metal dengan perbesaran 200x,(b) Gambar 14 (a) Struktur mikro base metal dengan perbesaran 200x,(b) Gambar 15 (a) Struktur mikro base metal dengan perbesaran 200x,(b) Sedangkan hasil pengujian foto struktur mikro pada sambungan fillet weld disajikan pada data gambar 16 (tanpa PWHT) dan gambar 17 (perlakuan PWHT) berikut ini : Gambar 17 (a) Struktur mikro base metal dengan perbesaran 200x,(b) Adapun struktur mikro yang terdapat pada setiap spesimen tanpa perlakuan PWHT maupun dengan perlakuan didominasi oleh ferit (butiran yang berwarna terang) dan fasa perlit (butiran yang berwarna gelap) lebih sedikit. Hanya terdapat perbedaan ukuran pada kristal, di mana pada HAZ ukuran kristal lbih besar dari pada base metal,sedangkan pada weld metal berbentuk seperti kolomkolom E. Pengujian SEM-EDX Pada pengujian bentuk morfologi dan unsur apa saja yang terdapat dari hasil pengelasan dengan perlakuan PWHT maupun tanpa PWHT setiap daerah base metal, HAZ, weld metal. menunjukan juga tidak adanya cacat pada pengelasan. Sedangkan unsur yang masih mendominasi adalah unsur Fe pada setiap spesimen. Pada spesimen 1 t anpa PWHT unsur Fe terdapat 82,35%(base metal), 82,61%(HAZ), 80%(weld metal) sedangkan spesimen 2 dengan PWHT unsur Fe terdapat 80,39%(base metal), 78,68%(HAZ), 75,74%(weld metal). hasil in hampir sama dengan hasil pengujian XRD sebelumnya dimana unsur Fe lebih dominan. Adapun unsur laen pengotor seperti oksigen kadarnya tertinggi terdapat pada daerah weld metal sebesar 4,47%(tanpa PWHT) dan 4,93%(PWHT) yang dapat menurunkan sifat material. F. Pengujian XRD Berikut ditampilkan pola difraksi yang didapat dari hasil uji XRD pada spesimen lasan :

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) DAFTAR PUSTAKA Gambar 18 Kurva hasil pengujian XRD pada spesimen 1 (tanpa PWHT) dan spesimen 2 (perlakuan PWHT) Pola difraksi hasil XRD pada spesimen 1 (tanpa PWHT) dan spesimen 2 (pe rlakuan PWHT) yang terlihat pada gambar 18 unsur yang terdapat pada spesimen tersebut ada Fe dengan sistem kristal lattice body-centered dengan masing masing bersesuaian dengan JCPDF # /ICSD #064999, JCPDF # /ICSD #064998, dan JCPDF # /ICSD # Analisa kuantitatif menggunakan parameter keluaran analisa rietveld. Analisa rietvield ini sendiri menggunakan software Rietica. Dengan membandingan model terukur dan model terhitung yang telah dibuat berdasarkan data ICSD. Pada analisa rietvield terdapat beberapa parameterparameter yang didapatkan dari karakter puncak difraksi. Parameter tersebut ditunjukkan pada tabel 7. Tabel 7 Hasil Output Program Rietica Adapun hasil perhitungan regangan dan tegangan sisa tersebut ditunjukkkan pada tabel 8 Tabel 8 Hasil perhitungan regangan dan tegangan sisa [1]. ASME IX, Qualification Sandard For Welding and Brazing Procedures, Welders, Brazers, and Welding and Brazing Operators. New York: New York. [2]. AWS A Standart Specification forstandart Carbon Steel Electrodes for Shield Metal Arc Welding., Miami Florida. [3]. AWS D American Welding Society, Structural Welding Code Steel. Miami Florida Fourth Edition. [4] Vander vort, George. V, ASM Vol 9 : Metallograph and Microstructure, ASM International, Material Park, USA, [5] Wiryosumarto, Harsono Prof, Dr, Ir dan Okumura, Toshie, Prof, Dr, Teknologi Pengelasan Logam. Edisi keenam. Jakarta. Pradnya Paramitha [6] Sonawan Hery dan Suratman Rochim. Pengantar untuk Memahami Proses Pengelasan Logam. Bandung. Alfabeta [7] Suherman, Wahid. Pengetahuan Bahan, Jurusan Teknik Mesin, ITS, Surabaya, [8] Suherman, Wahid. Ilmu Logam I, Jurusan Teknik Mesin, ITS, Surabaya, [9] Suherman, Wahid. Ilmu Logam II, Jurusan Teknik Mesin, ITS, Surabaya, [10] Smallman R.E, dan Bishop R.J Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material. Jakarta: PT Gramedia [11] Sonawan Hery dan Suratman Rochim Pengantar untuk Memahami Proses Pengelasan Logam. Bandung: Alfabeta. [12] Riyadi,Fajar dan Setyawan,Dony, S.T. M.Eng. Analisa mechanical dan metallurgical pengelasan baja karbon A36 dengan metode SMAW [13] Tawekal, Ricky L.Perhitungan SCF untuk analisa fatigue pada sambungan struktur lepas pantai. volume 13 No.2 edisi XXXII Juni [14] Sujatmika,Hiro dkk. Analisa pengaruh groove dan gap terhadap hasil pengelasan SMAW butt joint baja AISI 1020 [15] Pujo M, Imam Ir. dan Sarjito J.S, Ir. Analisis kekuatan sambungan las SMAW (Shielded Metal Arc Welding) pada marine plate ST42 akibat faktor cacat porositas dan incomplete penetration [16] Supriyanti, Ruly Agustin. Analisa pengaruh hasil pengelasan ulang menggunakan metode Gas Tungsten Arc Welding terhadap sifat mekanik dan ketahanan korosi alulinium 5083 [17] Dora, Rahmi Sartika Permana. ANALISA KEKUATAN MATERIAL SS400 DENGAN PENGARUH PREHEAT DAN PWHT DENGAN MENGGUNAKAN METODE SIMULASI DAN UJI TARIK Dari hasil pengamatan yang tertera pada tabel 8 menunjukkan bahwa adanya perlakuan PWHT pada pengelasan GTAW terjadi pengurangan regangan dan tegangan sisa pada permukaan material. IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Dari penelitian yang telah di lakukandapat di tarikbeberapakesimpulansebagaiberikut : 1. Perlakuan Post Weald Heat Treatment pada penelitian ini menaikan nilai keuletan setiap jenis sambungan las karena turunnya tegangan sisa pada hasil pengelasan. 2. Jenis sambungan las dan Perlakuan PWHT tidak memberikan pengaruh yang signifikan pada struktur mikro