PENGARUH FILLER ZINC TERHADAP PERUBAHAN STRUKTUR MIKRO PADA PENGELASAN TITIK BEDA MATERIAL

Transkripsi

1 Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) ISSN: X PENGARUH FILLER ZINC TERHADAP PERUBAHAN STRUKTUR MIKRO PADA PENGELASAN TITIK BEDA MATERIAL Muh Alfatih Hendrawan 1*, Pramuko Ilmu Purboputro 2, Rika Isnanto 3 1,2,3 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl.Ahmad Yani Pabelan Kartasura, Surakarta, Jawa Tengah * alfatih@ums.ac.id Abstrak Pengelasan beda material merupakan hasil pengembangan dari teknologi pengelasan, yang dapat dimanfaatkan untuk menurunkan beban kendaraan. Penggabungan antara aluminium dengan stainless steel merupakan hal yang tidak mudah karena sifat dan titik lebur yang berbeda. Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh filler zinc terhadap perubahan struktur mikro pada pengelasan titik beda material. Material yang digunakan adalah aluminium seri 6019 tebal 1,2mm dan stainless steel tipe martensite ferrite tebal 1mm serta filler zinc seri ZA-12 tebal 0,2mm. Proses pengelasan dilakukan dengan menggunakan filler dan non filler. Parameter proses diatur sebagai berikut arus pengelasan ; 6000, 7000 dan 8000 A, waktu pengelasan ; 0,2; 0,3; 0,4 detik Pengujian yang dilakukan adalah fotomikro dan makro dengan menggunakan standar ASTM E Pada pengujian makro diperoleh adanya kenaikan diameter logam las (nugget) seiring dengan kenaikan arus dan waktu. Selain itu, pengelasan dengan menggunakan filler zinc memiliki nugget yang lebih besar daripada yang tidak menggunakan filler, dan juga nugget aluminium terlihat lebih besar dari pada stainless steel karena perbedaan konduktivitas. Pada pengujian mikro struktur, area HAZ terlihat butiran pada aluminium mengecil, tetapi butiran pada stainless steel membesar, itu terjadi karena karena proses pendinginan pada aluminium lebih cepat dari stainless steel. Sementara itu, di dalam nugget, butiran dari filler zinc hanya dapat bercampur dengan butiran aluminium. Sedangkan butiran stainless steel tidak dapat bercampur dengan aluminium maupun filler zinc. Kata kunci: Las titik, beda material, aluminium, stainless steel, filler zinc 1. PENDAHULUAN Berkembangnya industri otomotif mendorong semakin meningkatnya konsumsi bahan bakar minyak. Hal ini mengakibatkan ketersediaan bahan bakar fosil semakin lama semakin menurun. Oleh Karena itu perlu dilakukan usaha-usaha untuk meningkatkan efisiensi konsumsi bahan bakar dan mencari alternatif sumber energi yang lain. Konsumsi bahan bakar pada kendaraan dapat diturunkan dengan cara menurunkan berat kendaraan. Penurunan berat kendaraan sebesar 10 % akan menurunkan konsumsi bahan bakar sebanyak 7 % [Cheach, 2010]. Selanjutnya, penurunan berat kendaraan akan menurunkan traksi yang diperlukan untuk mempercepat laju kendaraan, selain itu juga mengurangi rolling resistance dari ban [Casidei dan Richard, 2008]. Selain daripada itu, bobot kendaraan yang ringan akan mengurangi biaya efektif sebesar $6 per kilogram [Brooker dkk, 2013]. Dalam rangka menurunkan berat kendaraan, maka dapat dilakukan dengan cara mengganti material bodi kendaraan yang sebelumnya material baja baik interior maupun eksterior diganti dengan material yang lebih ringan pada salah satu bagian misalnya Aluminium. Akan tetapi hal ini tidaklah mudah karena penyambungan antara Aluminium dan Baja dengan menggunakan las titik adalah sulit dilakukan, karena keduanya memiliki sifat dan titik lebur yang berbeda. Atabaki dkk (2013) menyatakan bahwa ada baja yang bisa bergabung dengan aluminium. Dalam penelitiannya arus pengelasan yang digunakan antara 5 ka sampai 12 ka dengan waktu 0,2 detik dan kekuatan penekanan sebesar 2 kn. Pada daerah sekeliling lapisan tersebut tipis sedangkan di daerah tengah-tengah ikatan las, lapisan tersebut tebal. Celah retakan secara signifikan disebabkan paduan aluminium (A5052) di wilayah sekeliling las dan melalui reaksi di tengahtengah las dari lapisan intermetalik dengan ketebalan 1,5 µm. Sebuah perbandingan dibuat untuk lapisan reaksi yang terbentuk di antar muka A5052/SUS304 dan antar muka A5052/SPCC menunjukkan lapisan reaksi pada antarmuka A5052/SUS304 lebih tipis dibandingkan A5052/SPCC. 376

2 Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) ISSN: X Pengelasan titik pada material paduan AZ31B Mg dan Al Alloy 5754 diteliti dengan menggunakan Zn foil dan Zn coated steel sebagai material filler. Kekuatan yang diperoleh dari hasil pengelasan dengan menggunakan lapisan filler berupa Zn foil tidak tercapai dengan baik berdasarkan standar AWS D17-2. Tetapi saat menggunakan filler tipe Zn coated steel, kekuatan yang diharapkan dapat tercapai. Hal ini terjadi karena adanya material baja yang solid dan mampu menjamin pencampuran antara Al dan Mg. lapisan yang sangat tipis Fe-Al terbentuk pada Zn coated steel, hal ini mendorong terjadinya ikatan antara Al dan paduan Mg. kekuatan yang diperoleh dengan filler Zn coated steel memenuhi persyaratan AWS dan tercapai 74% dibandingkan kekuatan sambungan las yang serupa dari material AZ31B [Penner dkk, 2014]. a b Gambar 1 a. Hasil uji struktur makro b. Grafik pengaruh arus terhadap lebar nugget (Penner, L. Liu, A. Gerlich, And Y. Zhou (2014)) Selanjutnya, Arghafani, dkk (2016) melakukan penelitian tentang las antara aluminiumgalvanis dan antara aluminium-baja karbon rendah yang dilapisi zinc. Efek dari lapisan zinc pada stuktur mikro dan perlakuan mekanik pengelasan tanpa hambatan aluminium-galvanis dan aluminium-baja karbon rendah, hasil penelitian menunjukkan bahwa meskipun besar diameter nugget aluminium-baja karbon lebih besar, namun ketika lapisan zinc meleleh diameter antara keduanya hampir sama. Getaran pada pengelasan mengakibatkan fragmentasi dan penurunan senyawa intermetalik antar permukaan. Untuk aluminium-galvanis pada arus kurang dari 12 ka mempunyai kekuatan yang lebih besar dari aluminium-baja karbon rendah, namun sebaliknya untuk arus di atas 12 ka kekuatan aluminium-galvanis lebih rendah. Oleh karena adanya zinc mempunyai kemungkinan berpengaruh pada pengelasan titik antara aluminium dan baja, maka pada penelitian ini akan dilakukan riset lanjutan dengan model zinc yang berupa pelat tipis. Adapun tujuan penelitian adalah untuk mendeskripsikan pengaruh perubahan struktur mikro dan makro terhadap adanya zinc pada pengelasan beda material aluminium dan baja tahan karat. 2. METODOLOGI Material yang digunakan pada penelitian ini adalah baja tahan karat tipe Ferritic seri 430, dengan ketebalan 1 mm, sedangkan tipe Aluminium adalah seri 6019 dengan ketebalan 1,2 mm. Filler yang digunakan adalah zinc yang berbentuk plat dengan ketebalan 0,2 mm. Ketiga material tersebut ditempatkan dengan urutan sebagaimana gambar 1. Gambar 2. Spesimen percobaan Untuk mengetahui pengaruh filler pada pengelasan, maka pada percobaan dibuat dua perlakuan yaitu menggunakan filler dan non filler. Setiap perlakuan memiliki 2 variasi parameter yang sama yaitu arus dan waktu pengelasan. Adapun variasi arus pengelasan yaitu 6, 7 dan 8 ka, sedangkan 377

3 Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) ISSN: X variasi waktu pengelasan yaitu 0,2, 0,3 dan 0,4 detik. Holding time pengelasan dianggap sama yaitu 0,5 detik. Setelah proses pengelasan kemudian dilakukan pengujian metalografi untuk mengetahui struktur makro dan mikro dengan menggunakan mikroskop. Perbesaran yang dipilih untuk foto makro adalah 25 X, sedangkan untuk foto mikro yaitu 100 X dan 240 X perbesaran. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian metalografi dilakukan untuk mengetahui sifat fisis suatu material. Sifat fisis tersebut terbagi atas daerah logam induk (Base Metal), logam las (Nugget), dan daerah terpengaruh panas (Heat Affective Zone). Uji struktur makro untuk mengetahui diameter daerah las, sedangkan uji foto mikro untuk mengetahui daerah HAZ dan logam induknya. Berikut hasil uji metalografi untuk las beda material aluminium dan stainless steel dengan menggunakan filler dan nonfiller. Tabel 1.Pengaruh arus dan waktu pada lebar nugget Eksperimen Arus (Ampere) Waktu (detik) Lebar Nugget (mm) Filler Non Filler Al SS Al SS Gambar 3. Histogram pengaruh arus dan waktu terhadap lebar nugget aluminium Gambar 3 menunjukkan bahwa variasi arus dan waktu berpengaruh terhadap lebar diameter nugget. Hal ini sesuai dengan rumus H= I².R.t, bahwa semakin besar arus (I) dan semakin lama waktu (t) maka semakin besar pula masukkan panas yang terjadi. Hal ini juga pernah diteliti oleh Penner dkk (2014) bahwa semakin besar arus, maka semakin besar pula lebar diameter nugget. 378

4 Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) ISSN: X Filler Non filler Gambar 4. Perbandingan foto makro filler dan non filler Gambar 4 menunjukkan lebar diameter nugget aluminium tampak lebih besar daripada stainless steel. Penelitian sebelumnya, Arghafani dkk (2016) menyatakan bahwa lembaran aluminium dengan lapisan zinc meleleh lebih besar pada pengelasan baja karbon daripada dengan galvanis saat pengelasan dan membentuk nugget karena melelehnya logam zinc terhadap aluminium. Hal ini juga berkaitan dengan titik lebur aluminium lebih kecil daripada titik lebur stainless steel. Sambungan pada daerah nugget pada las dengan menggunakan filler lebih besar dibandingkan dengan non filler. Dari gambar 10 terlihat bahwa lebar diameter nuggetaluminium pada pengelasan menggunakan filler yaitu sebesar 5,20 mm, sedangkan non filler sebesar 3,03 mm. Aluminium cenderung meleleh sedangkan stainless steel terlihat tidak meleleh. Al SS Zn Gambar 5. Logam Induk (base metal) spesimen uji Gambar 5 merupakan gambar yang diambil pada spesimen uji. Mikrostruktur pada spesimen sudah mendekati dan sesuai dengan ASM Handbook Vol 9. Gambar 6. Foto makro daerah HAZ dan nugget 379

5 Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) ISSN: X Filler Non Filler Stainless steel Aluminium Gambar 7. Hasil penelitian daerah HAZ Perubahan daerah HAZ dari data diatas yang menggunakan filler maupun nonfiller nampak berbeda. Pada las yang menggunakan filler nampak daerah logam lasnya melebur dengan butiran kecil. Pada material aluminium perubahan butiran dari logam induk ke logam las semakin kecil. Butiran-butiran yang mengalami perubahan pada daerah dengan filler nampak lebih kecil dibandingkan daerah non filler. Sedangkan pada stainless steel, pada daerah yang menggunakan filler butiran berubah menjadi besar dari logam induk, pada las non filler butiran juga berubah menjadi besar. Hal ini disebabkan hambatan dari filler zinc yang ada pada daerah filler. Sementara pada daerah tanpa filler tidak ada hambatan zinc. Ada tiga zona pada daerah logam las, zona tersebut yaitu zona SS-Zn, Zn-Al dan SS-Al. dari gambar di atas terlihat bahwa zona paling baik dalam peleburan yaitu pada Zn-Al. Dengan filler Tanpa filler Gambar 8. Data hasil penelitian daerah logam las Daerah logam las pada sambungan aluminium dengan stainless steel menggunakan filler dan nonfiller pada gambar tidak menempel sempurna. Hal ini dikarenakan besar konduktivitas material yang berbeda. Pada material aluminium dan zinc membentuk lapisan seperti jarum. Dari penelitian sebelumnya Aghafani dkk (2014) menyatakan aluminium dan zinc membentuk lapisan Al-Fe. Daerah nugget aluminium membentuk butiran yang halus yang diakibatkan rekristalisasi yang 380

6 Simposium Nasional Teknologi Terapan (SNTT) ISSN: X sempurna. Batas butiran logam las aluminium yang menggunakan filler zinc lebih banyak dibandingkan dengan nonfiller zinc. Sedangkan untuk stainless steel, batas butiran untuk yang tanpa menggunakan filler zinc lebih kecil daripadanon filler zinc. Namun pencampuran material terlihat lebih baik yang menggunakan filler daripada non filler. 4. KESIMPULAN Berdasarkan analisa data dan pembahasan, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Setiap kenaikan arus dan waktu, lebar diameter logam las meningkat. Pada pengelasan menggunakan filler, diameter nugget lebih besar dibandingkan nonfiller. 2. Material aluminium dan filler zinc cenderung meleleh, sedangkan untuk stainless steel tidak meleleh namun terjadi perubahan butiran. 3. Hasil pengujian mikro, butiran pada daerah HAZ aluminium berubah kecil, sedangkan pada stainless steel stainless steel menjadi besar, karena konduktivitas aluminium lebih besar daripada stainless steel. Butiran filler zinc hanya dapat bercampur dengan butiran aluminium, sedangkan butiran stainless steel tidak dapat bercampur dengan aluminium maupun filler UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Kementrian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi Pemerintah Indonesia, yang telah berkenan memberikan dana penelitian melalui skim Penelitian Produk Terapan pada tahun 2017 dengan surat perjanjian kontrak Nomor : /A.3-III/LPPM/V/2017. DAFTAR PUSTAKA Cheach, Lynette W, Cars on a Diet: The Material and Energy Impacts of Passenger Vehicle Weight Reduction in the U.S., Thesis Document of Degree of Doctor of Philosophy in Engineering Systems, Massachusetts Institute of Technology, September 2010 Casidei, Anrico, Richard Broda, Impact of Vehicle Weight Reduction on Fuel Economy for Various Vehicle Architectures, Research Report of Ricardo Inc, Brooker, Aaron David, Jacob Ward, Lijuan Wang, Lightweighting Impacts on Fuel Economy, Cost, and Component Losses, paper of SAE 2013 World Congress & Exhibition, SAE International, P.Penner, L. Liu,A. Gerlich, and Y. Zhou, 2014, Dissimilar Spot Welding Of Aluminium to Magnesium With Zn-Coated Steel interlayers: Welding Journal vol 93: 225-s 231-s Arghavani, M.R, M. Movahedi, A.H. Kokabi (2016). Role of zinc layer in resistance spot welding of aluminium to steel, doi: /j.matdes , Material and Design Journal, Elsevier, 2016 Atabaki, M. Mazar, M. Nikodinovski, P. Chenier, R. Kovacevic, Welding of aluminum alloys to steels: an overview. Research Center for Advanced Manufacturing and Technology, Southern Methodist University, 6425 Boaz Lane, Dallas, TX,