BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Transkripsi

1 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Validasi Hasil Simulasi Validasi program dilakukan dengan cara membandingkan hasil proses simulasi penelitian sekarang dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Zhigang pada tahun Zhigang menyelesaikan simulasi proses RSW logam sejenis dengan arus lisrik 12,2 ka dan weld time 0,2 detik dan waktu tahan (holding time) hingga 0,6 detik. (a) (b) Gambar 4.1. (a) Distribusi temperatur penelitian Zhigang dan (b) distribusi temperatur penelitian sekarang Perbandingan penelitian disajikan pada gambar 4.1. Kedua grafik merepresentasikan kesamaan fenomena yang terjadi, temperatur system terus naik secara drastis hingga akhir dari weld time kemudian turun secara perlahan setelah arus listrik dimatikan (memasuki holding time). Temperatur tertinggi pada penelitian Zigang mencapai lebih dari 2000 C, sedangkan pada penelitian sekarang hanya mencapai 1944 C. Temperatur pada keda elektroda juga menunjukkan perbedaan, pada penelitia Zhigang mencapai 1000 C, sedangkan pada penelitian sekarang hanya mencapai 500 C. Perbedaan distribusi temperatur yang terjadi pada hasil penelitian sekarang dengan penelitian yang dilakukan oleh Zhigang disebabkan karena perbedaan dari material yang digunakan dalam pemodelan, sehingga properties dari material juga sangat berbeda. Perbandingan hasil 30

2 31 penelitian menunjukkan bahwa penelitian yang dilakukan sekarang valid karena menghasilkan tren fenomena yang mirip dengan hasil penelitian yang telah dilakukan sebelumnya. Validasi juga dilakukan pada simulasi untuk dissimilar metal dengan cara membandingkan hasil grafis simulasi dengan foto struktur mikro yang dihasilkan pada penelitian Kolarik pada tahun Gambar 4.2. Perbandingan distribusi temperatur penelitian sekarang dengan foto stuktur mikro penelitian Kolarik Hasil perbandingan menunjukkan bahwa bentuk nugget pada penelitian sekarang dekat dengan hasil penelitian yang dilakukan secara eksperimental sebelumnya. Namun masih terdapat perbedaan di antara keduanya, hal ini membuktikan bahwa penyimpangan mungkin terjadi pada hasil penelitian secara simulasi Simulasi Grafis Hasil Pemrograman Program yang digunakan untuk simulasi proses RSW adalah program dengan perangkat lunak ansys 12.0 seperti yang tercantum dalam lampiran. Data temperatur pada setiap nodal diperoleh melalui program simulasi yang sudah dijalankan dengan software ansys. Model komputasi yang digunakan untuk mensimulasikan proses RSW bertujuan untuk memahami dampak dari perubahan parameter proses pada perpindahan panas yang terjadi. Model yang dikembangkan digunakan untuk mendefinisikan suhu pada setiap lokasi pada benda kerja dan elektroda sebagai fungsi waktu dari awal hingga akhir proses RSW. Model yang pertama adalah proses RSW baja karbon yaitu SS 400. Arus listrik yang diaplikasikan pada proses ini sebesar 14,2 ka dan weld time 0,26 detik.

3 Temperatur ( C) Elektroda Bawah - Elektroda Atas - Gambar 4.3. Grafik distribusi temperatur RSW baja karbon dengan arus listrik 14,2 ka dan weld time 0,26 detik Gambar 4.3 menunjukkan distribusi temperatur yang terjadi pada pengelasan titik logam sejenis. Temperatur pada permukaan faying surface meningkat dengan sangat cepat pada saat arus listrik diaplikasikan, kemudian akan turun secara perlahan pada waktu penahanan. Beberapa grafis hasil pemrograman untuk RSW logam sejenis dalam hal ini adalah baja karbon rendah pada beberapa waktu yang berbeda ditunjukkan pada gambar ,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 Waktu (detik)

4 33 (a) Distribusi Temperatur pada 0,02 Detik (b) Distribusi Temperatur pada 0,08 Detik (c) Distribusi Temperatur pada 0,2 Detik (d) Distribusi Temperatur pada 0,26 Detik (e) Distribusi Temperatur pada 0,3 Detik (f) Distribusi Temperatur pada 0,6 Detik Gambar 4.4. Proses RSW baja karbon dengan arus listrik 14,2 ka dan weld time 0,26 detik Panas mulai muncul di antara kedua permukaan pelat logam yang dilas atau biasa disebut dengan faying surface pada awal proses pengelasan titik baja karbon seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4.4 (a) dan 4.4 (b). Panas terbesar muncul pada permukaan kedua pelat yang saling bersentuhan karena tahanan terbesar berada pada bagian tersebut (Thakur,

5 ). Panas kemudian merambat ke arah aksial menjauhi permukaan. Bertambahnya waktu pengelasan menyebabkan meningkatnya temperatur tertinggi yang tercapai. Temperatur tertinggi yang tercapai pada akhir waktu pengelasan adalah 1367 C seperti ditunjukkan pada gambar 4.4 (d). Nilai ini diambil sebagai titik lebur dari baja karbon rendah, sehingga dapat diasumsikan bahwa pada waktu tersebut nugget mulai terbentuk. Nugget yang terjadi berbentuk menyerupai elips dan terlihat sangat datar. Ukuran nugget yang terbentuk terlihat simetri terhadap permukaan faying surface. Hal ini menunjukkan bahwa penetrasi panas pada kedua pelat yang dilas adalah sama. Elektroda terlihat ikut memanas pada akhir proses pengelasan akibat rambatan panas dari pelat yang dilas. Elektroda dibuat dari bahan yang tidak mudah mengalami deformasi karena elekroda juga ikut mengalami perubahan temperatur (Rajanarender, 2012). Distribusi temperatur pada proses penahanan atau biasa disebut dengan holding time ditunjukkan oleh gambar 4.4 (e) dan 4.4 (f). Arus listrik pada elektroda telah dimatikan pada fase ini sehingga tidak terjadi penambahan panas pada kedua pelat. Temperatur pada kedua pelat terlihat menurun secara perlahan. Gambar 4.4 (e) mempresentasikan distribusi temperatur setelah 0,4 detik, dimana temperatur nugget telah turun mencapai 1019 C. Nugget tetap berbentuk elips dan simetri terhadap faying surface. Seiring dengan bertambahnya waktu, temperatur pada sistem semakin turun. Gambar 4.4 (f) menggambarkan distribusi temperatur setelah 0,6 detik dan temperatur tertinggi hanya sebesar 336 C, namun perambatan panas terlihat semakin meluas. Selisih temperatur pelat dengan elektroda semakin kecil dan keseluruhan sistem telah mengalami perubahan temperatur akibat perambatan panas dari material yang dilas. Model yang dikembangkan berikutnya adalah RSW logam tak sejenis yaitu SUS 304 dan SS 400. Pemodelan juga ditujukan untuk mendefinisikan suhu pada setiap lokasi pada benda kerja dan elektroda sebagai fungsi waktu dari awal hingga akhir proses. Perbedaan sifat fisik dan termal dari material diberikan sebagai masukan dari program.

6 35 Gambar 4.5. Distribusi temperatur pada 0,04 detik Suhu pada permukaan pelat meningkat sangat cepat pada awal proses pengelasan dan menyebabkan terjadinya selisih temperatur yang sangat signifikan pada kedua pelat yang dilas. Temperatur tertinggi telah melampaui 600 C pada waktu pengelasan 0,04 detik, sedangkan suhu antar muka elektroda - pelat belum menunjukkan adanya peningkatan seperti ditunjukkan pada gambar 4.5. Panas yang dihasilkan sepanjang garis kontak antar permukaan pelat terjadi akibat adanya hambatan pada permukaan kontak (Zhigang, 2006). Gambar 4.6. Distribusi temperatur pada 0,06 detik

7 36 Temperatur benda kerja terus naik selama arus listrik diaplikasikan pada proses RSW. Gambar 4.6 menunjukkan distribusi temperatur pada waktu 0,06 detik dan temperatur tertinggi mencapai 719 C, sedangkan suhu antar muka elektroda - pelat mulai naik secara perlahan akibat adanya perpindahan panas secara konduksi dari benda kerja ke elektroda. Kedua pelat yang dilas mulai menunjukkan distribusi temperatur yang tidak seimbang karena perbedaan sifat termal kedua material yang sangat berbeda. Material SUS304 memiliki resistivitas yang lebih tinggi daripada material SS400 pada suhu yang sama. Baja karbon SS400 memiliki resistivitas 26.7 x 10 ⁸ Ωm pada suhu 204 C sedangkan resistivitas SUS304 pada suhu yang sama adalah 78 x 10 ⁸ Ωm sehingga panas yang muncul pada SUS304 cenderung lebih tinggi. Namun pola distribusi temperature yang terjadi menunjukkan hal yang berbeda karena material SS400 memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada SUS304. Sebagai contoh, pada suhu 316 C nilai konduktivitas termal SS400 adalah W/m⁰C dan SUS304 hanya 17.9 W/m⁰C. Hal ini menyebabkan SS400 mampu menghantarkan panas dengan lebih cepat daripada SUS304. Hal ini menyebabkan penyebaran panas pada pelat SS400 menjadi lebih luas (Kolarik, 2012). Gambar 4.7. Distribusi temperatur pada 0,1 detik

8 37 Suhu tertinggi mencapai 883 C pada weld time 0,1 detik. Area yang berwarna merah menunjukkan area yang memiliki temperatur yang paling tinggi, area tersebut berbentuk menyerupai elips dan sangat datar seperti ditunjukkan pada gambar 4.7. Elektroda juga telah mengalami kenaikan temperatur mencapai 300 C dan distribusi temperatur pada pelat SUS 304 dengan pelat SS 400 semakin tidak seimbang. Temperatur tertinggi selalu berada di antara permukaan pelat yang dilas. Panas pada proses RSW akan selalu timbul pada permukaan dengan nilai tahanan yang paling tinggi dan peleburan material akan terjadi pertama kali pada permukaan kedua pelat yang menempel (Okumura, 1996). Nilai temperatur yang paling tinggi terjadi selalu pada akhir dari siklus pengelasan, dimana arus listrik terakhir diaplikasikan pada kedua elektroda yang dilas. Berikut adalah beberapa grafis distribusi temperatur yang terjadi pada akhir siklus pengelasan: Gambar 4.8. Distribusi temperatur pada weld time 0,18 detik

9 38 Gambar 4.9. Distribusi temperatur pada weld time 0,2 detik Gambar Distribusi temperatur pada weld time 0,22 detik Gambar Distribusi temperatur pada weld time 0,24 detik

10 39 Gambar Distribusi temperatur pada weld time 0,26 detik Gambar Distribusi temperatur pada weld time 0,28 Detik Gambar Distribusi temperatur pada weld time 0,3 Detik

11 40 Gambar Distribusi temperatur pada weld time 0,32 Detik Gambar Distribusi temperatur pada weld time 0,34 Detik Gambar 4.8 hingga gambar 4.16 menginterpretasikan distribusi temperatur yang berbeda seiring dengan bertambahnya weld time dimana arus listrik diaplikasikan pada benda kerja. Suhu tertinggi memiliki nilai yang bervariasi pada waktu pengelasan yang berbeda. Gambar 4.6 adalah distribusi temperatur yang terjadi setelah arus listrik diaplikasikan selama 0,18 detik dantemperatur tertinggi hanya mencapai 1116 C. Hal ini menunjukan bahwa nugget sama sekali belum terbentuk pada pengelasan dengan arus listrik 12,2 ka dan waktu pengelasan 0,18 detik. Hal ini disebabkan karena panas yang terjadi pada akhir siklus pengelasan belum mencapai titik cair dari kedua material yang dilas. Hal ini juga terjadi pada variasi weld time 0,2 detik; 0,22 detik; 0,24 detik; dan 0,26 detik seperti

12 41 ditunjukkan pada gambar 4.8 hingga 4.12, dimana temperatur tertinggi yang terjadi adalah berturut-turut 1178 C, 1238 C, 1294 C, dan 1350 C sehingga nugget juga belum terbentuk. Hubungan antara weld time dengan temperatur tertinggi yang tercapai dijelaskan pada gambar Temperatur ( ⁰C) ,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34 Temperatur Tertinggi Weld Time (detik) Gambar 4.17 Grafik hubungan antara weld time dengan temperatur tertinggi yang terjadi. Nugget mulai terbentuk pada variasi weld time 0,28 detik, dimana temperatur tertinggi mencapai 1404 C dan nilai ini dipilih sebagai titik cair dari material SUS 304. Distribusi temperatur yang terjadi pada kondisi ini ditunjukkan pada gambar Bentuk nugget terlihat masih tetap elips dan sangat datar dan distribusi temperatur yang terjadi pada kedua pelat yang dilas semakin tidak seimbang. Nugget menjadi hal yang sangat penting pada RSW, karena kualitas dan kekuatan hasil lasan ditentukan oleh dimensi dan struktur dari nugget yang dihasilkan Data Hasil Pemrograman Pengambilan data pada pemrograman untuk proses RSW material pelat SUS 304 dan pelat SS 400 dengan variasi weld time dilakukan pada tiga titik. Titik pertama berada pada pusat elektroda bawah pelat SS 400, titik kedua berada pada pusat permukaan elektroda atas pelat SUS 304, dan titik terakhir berada pada pusat permukaan pelat SUS 304 pelat SS400 seperti dijelaskan pada gambar 4.18.

13 42 Gambar Posisi titik pengambilan data komputasi Perbedaan weld time yang diaplikasikan pada proses RSW juga menyebabkan perbedaan pola distribusi temperatur yang terjadi. Hasil komputasi yang telah dilakukan menunjukan perbedaan skala distribusi temperatur. Prediksi distribusi temperatur untuk berbagai variasi weld time diperlihatkan oleh gambar Temperatur ( C) Elektroda Bawah - Elektroda Atas ,000 0,200 0,400 0,600 0,800 Waktu (detik) Gambar Grafik Distribusi Temperatur Pada RSW logam tak sejenis dengan Weld Time 0,18 Detik

14 Temperatur ( C) Elektroda Bawah - Elektroda Atas ,000 0,200 0,400 0,600 0,800 Waktu (detik) Gambar Grafik Distribusi Temperatur Pada RSW logam tak sejenis dengan Weld Time 0,2 Detik Temperatur ( C) Elektroda Bawah - Elektroda Atas ,000 0,200 0,400 0,600 0,800 Waktu (detik) Gambar Grafik Distribusi Temperatur Pada RSW logam tak sejenis dengan Weld Time 0,22 Detik

15 Temperatur ( C) Elektroda Bawah - Elektroda Atas ,000 0,200 0,400 0,600 0,800 Waktu (detik) Gambar Grafik Distribusi Temperatur Pada RSW logam tak sejenis dengan Weld Time 0,24 Detik Temperatur ( C) ,000 0,200 0,400 0,600 0,800 Waktu (detik) Elektroda Bawah - Elektroda Atas - - Gambar Grafik Distribusi Temperatur Pada RSW logam tak sejenis dengan Weld Time 0,26 Detik

16 45 Temperatur C ,000 0,200 0,400 0,600 0,800 Waktu (detik) Elektroda Bawah - Elektroda Atas - - Gambar Grafik Distribusi Temperatur Pada RSW logam tak sejenis dengan Weld Time 0,28 Detik Temperatur C ,000 0,200 0,400 0,600 0,800 Waktu (detik) Elektroda Bawah - Elektroda Atas - - Gambar Grafik Distribusi Temperatur Pada RSW logam tak sejenis dengan Weld Time 0,3 Detik

17 46 Temperatur C ,000 0,200 0,400 0,600 0,800 Waktu (detik) Elektroda Bawah - Elektroda Atas - - Gambar Grafik Distribusi Temperatur Pada RSW logam tak sejenis dengan Weld Time 0,32 Detik Temperatur C ,000 0,200 0,400 0,600 0,800 Waktu (detik) Elektroda Bawah - Elektroda Atas - - Gambar Grafik Distribusi Temperatur Pada RSW logam tak sejenis dengan Weld Time 0,34 Detik Kesembilan grafik di atas menginterpretasikan kesamaan fenomena yang terjadi, yaitu temperatur yang terus naik hingga mencapai nilai tertinggi pada batas waktu arus listrik diaplikasikan kemudian turun secara drastis setelah arus listrik dimatikan. Fase ini disebut fase penahanan atau disebut dengan holding time. Temperatur tertinggi dicapai sesaat sebelum arus listrik dimatikan kemudian turun seiring dengan bertambahnya holding time. Nilai temperatur terbaik pada kesembilan variasi didapat pada variasi weld time 0,28 detik. Temperatur pada titik ketiga atau titik

18 47 yang berada di antara pelat yang dilas mencapai 1404 C seperti dijelaskan pada gambar Nilai temperatur ini diambil sebagai titik lebur dari baja karbon rendah SS400 dan stainless steel SUS304, sehingga dapat diasumsikan bahwa pada waktu tersebut nugget mulai terbentuk (Incropera, 1981). Hasil simulasi pada kedua penelitian yag telah dilakukan menunjukkan hasil yang berbeda. Arus listrik yang dibebankan pada RSW logam sejenis yaitu baja karbon rendah adalah 14,2 ka, sedangkan nilai weld time minimal yang diperlukan untuk menghasilkan nugget secara sempurna adalah 0,26 detik. RSW logam tak sejenis yaitu SUS304 SS400 memerlukan weld time sebesar 0,28 detik untuk menghasilkan nugget secara sempurna dan arus listrik yang dibebankan adalah 12,2 ka. Hal ini terjadi karena SUS304 memiliki resistivitas yang relatif lebih besar daripada SS400 (Kolarik, 2012). (a) (b) (a) Distribusi Temperatur Setelah 0,4 Detik (c) Gambar Distribusi Temperatur Holding Time pada RSW dengan Weld Time 0,18 Detik Setelah (a) 0,3 Detik, (b) 0,4 Detik, (c) 0,6 detik

19 48 (a) (b) (c) Gambar Distribusi Temperatur Holding Time pada RSW dengan Weld Time 0,2 Detik Setelah (a) 0,3 Detik, (b) 0,4 Detik, (c) 0,6 Detik (a) (b) (c) Gambar Distribusi Temperatur Holding Time pada RSW dengan Weld Time 0,22 Detik Setelah (a) 0,3 Detik, (b) 0,4 Detik, (c) 0,6 Detik

20 49 (a) (b) (c) Gambar Distribusi Temperatur Holding Time pada RSW dengan Weld Time 0,24 Detik Setelah (a) 0,3 Detik, (b) 0,4 Detik, (c) 0,6 Detik (a) (b) (c) Gambar Distribusi Temperatur Holding Time pada RSW dengan Weld Time 0,26 Detik Setelah (a) 0,3 Detik, (b) 0,4 Detik, (c) 0,6 Detik

21 50 (a) (b) (c) Gambar Distribusi Temperatur Holding Time pada RSW dengan Weld Time 0,28 Detik Setelah (a) 0,3 Detik, (b) 0,4 Detik, (c) 0,6 Detik (a) (b) Gambar Distribusi Temperatur Holding Time pada RSW dengan Weld Time 0,3 Detik Setelah (a) 0,4 Detik, (b) 0,6 Detik (a) (b) Gambar Distribusi Temperatur Holding Time pada RSW dengan Weld Time 0,32 Detik Setelah (a) 0,4 Detik, (b) 0,6 Detik

22 51 (a) (b) Gambar Distribusi Temperatur Holding Time pada RSW dengan Weld Time 0,34 Detik Setelah (a) 0,4 Detik, (b) 0,6 Detik Hasil grafis dari simulasi untuk holding time yang berbeda ditujukkan oleh gambar 4.28 hingga Gambar tersebut memperlihatkan kesamaan pola yaitu penurunan temperatur yang sangat signifikan pada logam yang dilas maupun elektroda. Perbedaan ditribusi temperatur dari sistem disebabkan karena temperatur tertinggi yang dicapai pada tiap proses RSW berbeda pada setiap variasi weld time. Panas yang semula muncul pada permukaan faying surface menyebabkan temperatur semua logam meningkat, namun setelah sumber panas yaitu arus listrik dimatikan terjadi penyebaran panas keluar dari sistem. Hal ini disebabkan karena perpindahan panas konveksi yang menjadi batas pada sisi terluar dari sistem. Udara diasumsikan mengalir di sekitar sistem sehingga mengakibatkan terjadinya perambatan energi panas dari permukaan sistem ke lingkungan (Cengel, 2002). Proses perpindahan kalor konveksi juga menjadi batas sistem pada sisi dalam kedua elektroda karena elektoda diasumsikan dilengkapi dengan sistem pendingin yaitu air yang disirkulasikan.