ANALISA TEGANGAN SISA ALUMINIUM TIPE 5083 PADA HASIL PENGELASAN GMAW DENGAN PERLAKUAN PANAS

Transkripsi

1 ANALISA TEGANGAN SISA ALUMINIUM TIPE 5083 PADA HASIL PENGELASAN GMAW DENGAN PERLAKUAN PANAS Bakhtiar (1), Murdjito (2), Gatot Dwi Winarto (3) (1) Mahasiswa Teknik Kelautan (2),(3) Staf Pengajar Teknik Kelautan ABSTRAK Aluminium 5083 banyak digunakan untuk pembuatan kapal kecil, seperti kapal patroli atau kapal perang. Pengelasan Gas Metal Arc Welding (GMAW) merupakan las yang paling umum digunakan dalam struktur kapal. Pada saat fabrikasi, pengelasan yang terjadi akan menimbulkan tegangan sisa (residual stress). Perlakuan panas (annealing) dapat menurunkan nilai tegangan sisa hasil dari proses pengelasan sebelumnya. Perlakuan panas dilakukan pada hasil pengelasan aluminium 5083 dengan dimensi 300 mm x 150 mm x 12 mm dengan proses pengelasan GMAW. Variasi perlakuan panas dalam proses annealing ini dilakukan pada suhu C dan holding time 1jam, 2jam, dan 3jam. Perubahan mikrostruktur diamati dilaboratorium sedangkan perhitungan tegangan sisa menggunakan metode elemen hingga. Pada hasil akhir penelitian didapatkan penurunan nilai tegangan sisa sebesar 54.86% pada perlakuan panas 300 o C dengan holding time tiga jam, 36.05% pada perlakuan panas 300 o C dengan holding time dua jam, 17.87% pada perlakuan panas 300 o C dengan holding time satu jam. Nilai terkecil pengujian tarik sebesar 275N/mm 2 dan putus di daerah weld metal, dengan batas minimal /mm 2. Pengujian mikrostruktur mendapatkan ukuran butiran grain sebesar ASTM. Persentase kandungan struktur butiran Al 76.21% dan Mg 5 Al % didaerah weld metal pada pada perlakuan panas 300 o C dengan proses holding time tiga jam dan Ultimate Streses Mpa. Kata kunci : GMAW, Aluminium 5083, mikrostruktur, Perlakuan panas, Tegangan sisa. 1. PENDAHULUAN Banyak kebutuhan akan armada kapal. Salah satu tolak ukur dalam perkembangan kapal di Indonesia dimulai dari skala kecil sampai dengan skala besar, yang digunakan untuk pembangunan kapal baru yang cukup banyak. Proses pengelasan adalah hal yang umum digunakan pada industry maritim. Pada struktur bangunan laut (offshore structures), baik struktur terpancang (fixed structure) maupun struktur terapung (floating structure) dan struktur kapal (ship structures) dalam setiap tahap pengerjaannya selalu terdapat proses pengelasan. Pengelasan merupakan proses penyambungan antara dua bagian logam atau lebih dengan menggunakan energi panas. Karena proses ini maka didaerah sekitar lasan mengalami siklus termal cepat yang menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan metalurgi yang rumit, deformasi dan tegangantegangan termal. Selama pengelasan, daerah di bawah logam las akan mengalami pemuaian, sedangkan daerah dibawahnya mencoba menahannya. Bagian yang memuai itu akan mengalami tegangan tekan sedangkan daerah dibawahnya melawan dengan tegangan tarik. Sebaliknya, selama proses pendinginan, daerah dibawah logam las mengalami tegangan tarik dan

2 daerah dibawahnya melawannya dengan tekanan. Tegangann yang demikian ini disebut tegangan sisa. Daerah lasan terdiri dari tiga bagian yaitu logam lasan, daerah pengaruh panas atau daerah HAZ (heat affected zone) dan logam induk yang tidak terpengaruh proses las. Logam las adalah bagian dari logam yang padaa 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 pendinginann cepat. Logam induk adalah bagian logam dasar di mana panas dan suhu pengelasan tidak menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan struktur dan sifat. Siklus termal adalah proses pemanasan dan pendinginann di daerah lasan. Lamanya pendinginan dalam suatu daerah temperatur tertentu dari suatu siklus termal las sangat mempengaruhi kualitas sambungan. Karena itu banyak sekali usaha-usaha pendekatan untuk menentukan lamanya waktu pendinginan tersebut. Salah satu cara untuk mengendalikan laju pendinginan tersebut adalah dengan perlakuan panas. Dalam tugas akhir inii akan dilihat bagaimanakah pengaruh dari perlakuan panas terhadap perubahan struktur mikro dan tegangan sisa dari hasil pengelasan dengann menggunakan metode GMAW 2. DASAR TEORI 2.1. Aluminium. Aluminium, logam yang memiliki rumus kimia Al dikenal sebagai logam yang ringann dan memiliki ketahanann korosi tinggi terhadap udara, air, oli, dan beberapa cairan kimia. Massa jenisnya sekitar 1/3 dari bajaa atau tembaga. Karenaa keistimewaan sifatnya itu, paduan aluminium banyak digunakan sebagai struktur suatu konstruksi untuk mengurangi beban atau beratnya. Aluminium dan paduan aluminium termasuk logam ringan yang mempunyai kekuatan tinggi, tahan terhadap korosi dan merupakan konduktor listrik yang cukup baik. Logam ini dipakai secara luas dalam bidang kimia, listrik, bangunan, transportasi dan alat alat penyimpanan. Paduan aluminium dapat diklasifikasikan dalam tiga cara, yaitu berdasarkan pembuatan, dengan klasifikasi paduan cor dan berdasarkan perlakuan panas dengan klasifikasi dapat dan tidak dapat diperlaku panaskan dan cara ketiga yang berdaskan unsur unsur paduan yaitu: Al murni (1xxx), Al-Cu (2xxx), Al-Mn (3xxx), Al-Si (4xxx), Al-Mg (5xxx), Al-Mg-Si (6xxx), dan Al-Zn (7xxx) Gas Metal Arc Welding (GMAW) paduan tempa, Nama lain dari proses pengelasan ini adalah metal inet gas (MIG) dimana kawat elektroda yang digunakan tidak terbungkus dan sifat suplainya yang terus-menerus. Daerah lasan terlindung dari atmosphere melalui gas yang dihasilkan dari alat las tersebut,seperti terlihat pada a gambar 2.4. (Genculu, 2007). Gas pelindung yang digunakan adalah gas Argon, helium atau campuran dari keduanya. Untuk memantapkan busur kadang-kadang ditambahkan gas O 2 antara 2 sampai 5% atau CO 2 antara 5 sampai 20% (Wiryosumarto, 1996). Gbr. 1 Pengelasan GMAW atau MIG

3 2.3. Heat Input Dalam pengelasan, untuk mencairkan logam induk dan logam pengisi diperlukan energi yang cukup. Energi yang dihasilkan dalam operasi pengelasan berasal dari bermacam-macam sumber yang tergantung pada proses pengelasannya. Pada pengelasan busur listrik, sumber energi berasal dari listrik yang diubah menjadi energi panas. Energi panas ini sebenarnya hasil kolaborasi dari parameter arus las, tegangan las, dan kecepatan pengelasan. Parameter ketiga yaitu kecepatan pengelasan ikut mempengaruhi energi pengelasan karena proses pemanasannya tidak diam ditempat akan tetapi bergerak dengan kecepatan tertentu. Kualitas hasil pengelasan dipengaruhi oleh energi panas yang berarti dipengaruhi juga oleh arus las, tegangan dan kecepatan pengelasan. Hubungan antara ketiga parameter itu menghasilkan energi pengelesan yang dikenal dengan heat input. Persamaan heat input dapat dituliskan sebagai berikut; HI = Teg. Las x Arus Las Kec. Pengelasan 2.4. Tegangan Sisa Dalam proses penglesan, bagian yang dilas menerima panas pengelasan setempat dan selama proses berjalan suhunya berubah terus sehingga distribusii suhu tidak merata. Karenaa panas tersebut, maka pada bagian yang dilas terjadi pengembangan termal. Sedangkan bagian yang dingin tidak berubah sehingga terbentuk penghalangan pengembangan. Hal inilah yang menimbulkan tegangan sisa. Tegangan sisa yang terjadi karena pengelasan ini dapat dibagi dalam dua kelompok, yaitu : tegangan sisa pada bagian konstruksi yang bebas dan tegangan sisa oleh adanya halangan dari luar (Wiryosumarto, 1996). Terjadinya tegangan sisa ini dapat dilihat dalam gambar 2.3. di mana daerah C mengembang pada waktu pengelasan. Pengembangann pada C ditahan oleh daerah A, sehingga pada daerah C terjadi tegangan tekan dan pada daerah A terjadi tegangan tarik. Tetapi bila daerah A luasnya jauh lebih besar dari C, maka pada daerah C akan terjadi perubahan bentuk tetap, sedangkan padaa daerah A terjadi perubahan bentuk elastis. Pada waktu pengelasan selesai, terjadilah proses pendinginan di mana bagian C menyusut. Penyusutan inii ditahan oleh daerah A, karena itu pada daerah C akan terjadi tegangan tarik yang diimbangi oleh tegangan tekan pada daerah A. Gbr. 2 Pembentukann tegangan sisa Heat Treatment Heat treatment adalah metode yang digunakan untuk mengubah sifat fisik dan kimia suatu material. Aplikasi yang paling umum adalah pada logam. Perlakuan panas juga digunakan dalam pembuatan berbagai materi lainnya, seperti kaca. Heat treatment melibatkan pemanasan atau pendinginan untuk mencapai hasil yang diinginkan seperti pengerasan atau pelunakan material. Teknik perlakuan panas meliputi, annealing, case hardening, precipitation strengthening, Tempering dan quenching.. Heat treatment hanya berlaku untuk proses di manaa pemanasan dan pendinginan yang dilakukan untuk tujuan khusus untuk mengubah properti material, pemanasan dan pendinginan sering terjadi secara kebetulan selama proses manufaktur lain seperti pembentukan panas atau

4 mengelas. Berikut ini adalah berbagai jenis teknik perlakuan panas yang sering dilakukan: 1. Annealing Anealling adalah suatu teknik yang digunakan untuk tegangan dalam logam. Anealling biasanya menghasilkan material yang lebih ulet dan lunak. Ketika material yang diberi perlakuan annealing didinginkan di dalam furnace, hal ini disebut dengan annealing penuh. Apabila material yang diberi perlakuan annealing didinginkan di udara bebas, hal ini disebut normalizing heat treatment. Selama annealing, butiran butiran yang kecil terekristalisasi untuk membentuk butiran yang berukuran lebih besar. 2. Case hardening Case hardening adalah sebuah proses di mana sebuah elemen paduan, paling sering karbon atau nitrogen, berdifusi ke permukaan logam monolitik. Hal ini akan menghasilkan interstitial solid solution yang lebih keras daripada logam dasarnya, hal ini akan meningkatkan ketahanan tanpa mengorbankan ketangguhan. 3. Precipitation strenghtening Beberapa logam diklasifikasikan sebagai logam dengan pengerasan presipitasi. Ketika logam dengan pengerasan presipitasi diberi perlakuan quenching, semua elemen paduannya akan terperangkap dalam campuran dan menghasilkan logam yang lunak. Penuaan sebuah material "solutionized" akan memungkinkan unsur-unsur paduan untuk menyebar melalui mikrostruktur dan membentuk partikel intermetalik. Partikel intermetalik ini akan bernukleasi dan keluar dari solusi dan bertindak sebagai fase penguat, sehingga meningkatkan kekuatan paduan. 4. Quenching Dalam pengkerasan dengan quenching, sebuah logam (biasanya baja atau besi cor) harus dipanaskan ke dalam fase austenitik dan kemudian segera didinginkan. Tergantung pada paduan dan pertimbangan lain, pendinginan dapat dilakukan dengan udara paksa atau gas lain (seperti nitrogen), minyak, polimer yang dilarutkan dalam air, atau air garam. Setelah menjadi didinginkan dengan cepat, sebagian dari austenit (tergantung pada komposisi paduan) akan berubah menjadi martensit yang keras getas. Kekerasan dari metal yang diquenching tergantung pada komposisi kimia dan metode pendinginan. Pendinginan baja tertentu apabila terlalu cepat dapat mengakibatkan retak, dan itu sebabnya baja kekuatan tinggi seperti AISI harus didinginkan dalam minyak. Namun, logam austenistik seperti stainless steel (304, 316), dan tembaga, menghasilkan efek yang berlawanan ketika diquenching, material tersebut harus diannealing untuk menjadi tahan korosi. 2.6 Uji Tarik Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain mekanik yang bertujuan untuk mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik. Pengujian tarik untuk mengetahui berapa besar nilai kekuatannya dan dimanakah letak putusnya suatu sambungan las. Pembebanan tarik adalah pembebanan yang diberikan pada benda dengan memberikan gaya tarik pada arah yang berlawanan arah pada salah satu ujung benda. Penarikan gaya terhadap beban akan mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk (deformasi) bahan tersebut. Proses terjadinya deformasi pada bahan uji adalah proses pergeseran butiran kristal logam yang mengakibatkan lemahnya gaya elektromagnetik setiap atom logam hingga terlepas ikatan tersebut oleh penarikan gaya maksimum. Pada pengujian tarik beban diberikan secara kontinu dan pelan-pelan bertambah besar, bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan mengenai perpanjangan yang dialami benda uji dan dihasilkan kurva tegangan-regangan.

5 Gbr. 3 Grafik Uji Tarik 2.7 Struktur Mikro Aluminium Struktur mikro adalah bahan dalam orde kecil (mikro). Adapun manfaat dari pengamatan struktur mikro sendiri adalah: 1. Untuk mempelajari hubungan antara sifatsifat bahan dengan struktur dan cacat pada bahan. 2. Untuk memperkirakan sifat bahan jika hubungan tersebut sudah diketahui. Ada beberapa alat yang digunakan untuk mengamati struktur mikro ini, yaitu: mikroskop cahaya, mikroskop elektron, mikroskop field-on, mikroskop field emission, dan mikroskop sinar-x. Hasil dari pengamatan struktur mikro ini akan diperlihatkan berbagai fase untuk diidentifikasi. Penyebaran dan bentuk fase dapat dipelajari dan jika sifat-sifatnya diketahui dapat digunakan untuk mengetahui informasi-informasi tentang sifat-sifat spesimen. Namun pada saat ini akan dilakukan pengamatan struktur mikro pada suatu specimen. Pada pengamatan struktur mikro umumnya yang diamati adalah ukuran butiran, bentuk butiran dan larutan padat yang terbentuk, semakin halus dan kecil bentuk butiran, kekuatan mekanis akan bertambah baik. Larutan padat yang tersebar merata, maka kekuatan tariknya akan bertambah baik pula. Gbr. 4 Struktur mikro AA Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga adalah prosedur numerik untuk memecahkan masalah mekanika kontinum. Pada dasarnya elemen hingga merupakan bagian bagian kecil dari struktur yang aktual akan tetapi dalam pembentukan elemen elemen tersebut harus memperhatikan nodal forces sehingga didapatkan berbagai ragam deformasi elemen. Keunggulan dari metode elemen hingga adalah jaringan elemen elemen yang terbentuk sangat dekat dengan struktur aktual yang akan dikaji. Disamping keunggulan metode elemen hingga juga memiliki kelemahan yaitu hasil dari analisa yang ada berupa numerik bukan suatu persamaan bentuk tertutup yang dapat dipakai dalam memecahkan berbagai kasus. Penentuan tegangan dengan metode elemen hingga didasarkan pada perhitungan regangan pada komponen yang diperoleh dari hasil penggabungan dari regangan tiap elemen. Untuk menyelesaikan distribusi regangan dalam komponen digunakan perumusan dan model matematik distribusi regangan dengan menggunakan prinsip energi potensial minimum pada elemen. Untuk menghitung besarnya tegangan sisa yang dihasilkan dalam proses pengelasan, dapat menggunakan program ANSYS Multiphysic. Pada program ini diawali dengan pembuatan model. Setelah pemodelan selesai, maka tahap selanjutnya adalah proses pembebanan. Jenis pembebanan yang

6 digunakan adalah beban thermal. Dari pembebanan tersebut, nantinya akan didapatkan hasil berupa distribusi panas, tegangan sisa. 3. PENGERJAAN 3.1. Pembuatan Spesimen Spesimen yang digunakan adalah aluminium 5083 yang memiliki ketebalan 12 mm. Sedangkan jenis bevel yang digunakan adalah single V groove. Jumlah spesimen yang dibuat sebanyak empat buah. Peralatan yang diperlukan untuk pembuatan spesimen ini adalah gerinda, meja kerja, penjepit benda kerja dan meteran Proses pengelasan GMAW Pengelasan kali ini menggunakan las jenis GMAW dengan gas pelindung yang digunakan adalah jenis gas Argon dan menggunakan jenis elektroda ER5356 diameter 1.2 mm. Parameter yang digunakan V = 21 Volt, I = 127 A. Gbr 6. Pengukuran suhu 3.4. Perlakuan Panas Setelah proses pengelasan spesimen akan diperlakupanaskan pada suhu 300 o C dengan holding time yang bervariasi, 1 jam, 2 jam, dan 3 jam. Setelah selesai dilakukan pendinginan sampai suhu kamar. Gbr 5. Proses Pengelasan Proses pengelasan diawali dengan pembuatan tack weld pada ujung ujung material sebagai penyambung material agar tidak bergeser saat dilakukan pengelasan full length seperti terlihat pada gambar 3.3. Setelah pengelasan full length selesai, dilakukan pengukuran suhu hasil lasan Gbr 7. Oven 3.4. Uji metallographic Pada tahap analisa metallographic, langkah yang harus dilakukan adalah : 1. Cutting : pemotongan sampel spesimen dengan ukuran 60 mm x 10 mm x 12 mm. 2. Grinding : meratakan dan menghaluskan permukaan sampel dengan cara menggosokkan pada kertas amplas. 3. Polishing : bertujuan untuk mendapatkan permukaan sampel yang mengkilat seperti cermin dengan cara menggosokkan pada kain halus yang sebelumnya sudah ditaburi polishing powder.

7 4. Etching : dengan cara mencelupkan pada larutan kimia (1mL HF, 200mL H 2 O) selama beberapa detik. 5. Melakukan pengamatan menggunakan mikroskop electron dengan pembesaran 200x Pemodelan ANSYS: 3.5. Analisa tegangan sisa Ada beberapa langkah untuk melakukan analisa tegangan sisa pada program ANSYS, yaitu : Pembuatan model Memasukkan material properties (poisson ratio, yield strenght, modulus Young, densitas, thermal conductivity, dll) Meshing Pembebanan thermal (transient) yang menghasilkan output thermal stress Output akhir yang diperoleh adalah residual stress dan distorsion Berdasarkan pola distribusi tegangan total (von missed stress) tersebut dapat diamati posisi titik node) dan harga tegangan maksimum yang terjadi tetap pada sambungan-butt. Pola distribusi tegangan menunjukkan harga tegangan sisa pada daerah HAZ dan berangsur berkurang pada material induk. Struktur Mikro Gambar 3.6. Pemodelan spesimen. 4. HASIL dan PEMBAHASAN Dari percobaan yang sudah dilakukan, didapatkan beberapa hasil pada tabel di bawah ini. Uji Tarik: Dari hasil uji mikro didapatkan ASTM Grain sebesar Percentase Al 76.21% dan Mg 5 Al %. 5. DAFTAR PUSTAKA Althouse, Andrew D., 1984, Modern Welding, 5th Edition, South Holland Illinois, The Goodheart Willcox Company, Inc. ANSYS 11 Documentation, ANSYS Theory Reference

8 Anam, Analisa Perilaku Tegangan Sisa Dan Sudut Distorsi Pada Sambungan Fillet Dengan Variasi Tebal Pelat Menggunakan Metode Elemen Hingga. ITS Wiryosumarto, Harsono dan Toshie Okumura Teknologi Pengelasan Logam. PT.Pradnya Paramita: Jakarta. ASME American Society of Mechanical Engineers Section IX. USA, The American Society of Mechanical Engineers ASTM, 2003, Annual book of ASTM standart vol , Philadhelphia, ASTM publishing Bandriyana, Perhitungan Distribusi Tegangan Sisa dalam Pengelasan Sambungan T Pada System Pemipaan. Prosiding Semiloka Teknologi Simulasi dan Komputasi serta Aplikasi Bradley, GR., James, MN Geometry and Microstructure of Metal Inert Gas and Friction Stir Welded Aluminium Alloy 5383-H321. Genculu, Semih Structural Steel Welding. Dakota : PDH Center. Hastuti, Farida Tri analisa Pengaruh Pengelasan Fcaw Pada Sambungan Material Grade A Dengan Material Grade Dh 36. Perdana Putra, Yudhistira Analisa Tegangan Sisa dan Distorsi pada Penngelasan Fillet T-Joint denngan Metode Elemen Hingga. Tugas Akhir. Jurusan Teknik Material & Metalurgi. Fakultas Teknologi Industri. ITS. Surabaya. Pilipenko, A Computer simulation of residual stress and distortion of thick plates in multi-electrode submerged arc welding_their mitigation techniques. Thesis. Department of Machine Design and Materials Technology Norwegian University of Science and Technology N-7491 Trondheim. Norway. Suherman. Ilmu Bahan I. Diktat Jurusan Teknik Masin Fakultas Industri. ITS Sunaryo, Hery Teknik Pengelasan Kapal. Jilid I. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan.