Gambar 2.1.(a) Geometri elektroda commit to Gambar user 2.1.(b) Model Elemen Hingga ( Sumber : Yeung dan Thornton, 1999 )

Transkripsi

1 digilib.uns.ac.id BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Resistance Spot Welding (RSW) atau Las Titik Tahanan Listrik adalah suatu cara pengelasan dimana permukaan plat yang disambung ditekankan satu sama lain dan pada saat yang sama arus listrik dialirkan sehingga permukaan tersebut menjadi panas dan mencair karena adanya resistansi listrik (Wiryosumarto, 2000). Simulasi dari proses Resistance Spot Welding (RSW) adalah hal yang penting demi mengurangi biaya dan waktu eksperimen. Saat ini beberapa peneliti telah menggunakan metode iteratif untuk menyimulasikan interaksi antara medan medan struktur, termal, dan listik secara tergabung. Yeung dan Thornton (1999) membuat analisis termal transien dari elektroda Resistance Spot Welding. Analisis yang dilakukan mereka dengan membuat sebuah model parametrik dengan suatu Software tertentu yang dikembangkan untuk memprediksi perilaku termal dari electrode cap. Kondisi geometri dan pemodelan dari metode elemen hingga electrode cap dalam memprediksi perilaku termalnya diperlihatkan oleh Gambar (a) (b) Gambar 2.1.(a) Geometri elektroda commit to Gambar user 2.1.(b) Model Elemen Hingga ( Sumber : Yeung dan Thornton, 1999 ) 5

2 digilib.uns.ac.id 6 Gambar tersebut menjelaskan bahwa TW adalah bagian ujung elektroda, daerah hitam merepresentasikan keseluruhan body elektroda dan tabung air. Sisi bagian dalam tabung adalah TI dan bagian luarnya adalah TO. Jalur air dalam ruang pendingin memiliki radius luar CR dan panjang total CL. MN merepresentasikan jarak antara tabung air dan dasar ruang pendingin yang berbentuk kerucut. Gambar 2.1.(b) adalah model elemen hingga dibuat dengan ANSYS Parametric Design Language. Model dibuat dengan map-meshed dengan elemen quadrilateral FLUID141. Mesh yang lebih rapat dekat pada posisi antarmuka air pendingin pada bagian dalam dan luar elektroda, dimana gradien temperatur tertinggi diharapkan timbul. Sifat sifat material dari elemen fluida pendingin dan elektroda beserta tabung air pendingin ditampilkan dalam tabel 2.1. di bawah ini. Tabel 2.1. Sifat sifat Material ( Sumber : Yeung dan Thornton, 1999 ) Parameter Elektroda / Tube Water Densitas (Ɗ. nƽǫ ) ,3 Viskositas (Ɗ. nƽǫ ) - 1,0E-3 Konduktivitas ( nƽǫ Ɗ) 322 0,5996 Panas Jenis ( Ɗ. ) Tabel 2.2. menunjukkan efek dari besaran koefisien perpindahan panas pada temperatur permukaan ujung elektroda maksimum. Nilai nilai ini dihitung menggunakan analisis termal Steady-state, dan mengabaikan radiasi. Hal ini memperlihatkan bahwa konveksi udara bebas tidak begitu penting, maka daripada itu, konveksi udara bebas tak dipertimbangkan lebih lanjut. Tabel 2.2. Efek Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (h) pada Temperatur Permukaan Ujung ( Tip ) Maksimum ( Sumber : Yeung dan Thornton, 1999 ) Power (kw) h ( nƽǫ ) Temperatur (K) 1, , ,818 commit 25 to user 1211

3 digilib.uns.ac.id 7 Panas yang hilang secara konveksi dari permukaan luar dapat diperoleh dengan hukum pendinginan Newton, = h ( ) (2.1) Dimana h adalah koefisien perpidahan panas konveksi. (untuk konveksi bebas di udara, h memiliki nilai maksimum 25 nƽǫ ). dinotasikan panas yang hilang pada permukaan i dengan area, adalah temperatur di permukaan sedangkan, adalah temperatur ambient. Dengan demikian nilai temperatur menjadi berbeda pada tiap (nomor) permukaan seperti yang terlihat di tabel 2.3. Tabel 2.3. Perkiraan Panas yang Hilang Secara Radiasi dan Konveksi pada Kondisi Tunak (Steady - State) ( Sumber : Yeung dan Thornton, 1999 ) Nomor Permukaan Suhu (K) Panjang (mm) Radius (mm) Area (nƽǫnƽǫ ) Panas yang hilang secara konveksi (W) Panas yang hilang secara radiasi (W) ,35 3,12 6,86 0,12 0, ,69 3,47 15,04 0,25 0, ,87 4,16 22,74 0,32 0, ,85 6,24 190,15 1,70 1, ,73 8,67 94,24 0,60 0, ,20 9,19 300,26 1,92 1, ,03 9,19 290,45 1,11 0, ,60 7,80 127,42 0,49 0, ,21 6,41 572,31 0,73 0,22 Total 7,25 6,51 H. Zhigang (2006) menggunakan sebuah model Metode Elemen Hingga 2- D Axisymmetric yang dikembangkan untuk menganalisa perilaku termal transien dari Proses Resistance Spot Welding (RSW). Metode Elemen Hingga 2-D Axisymmetric tersebut memiliki persamaan utama, yaitu : Ů 1 = 1 Ɗ Ɗ c = Panas spesifik commit to user + (2.2) dimana; Ů = Densitas atau massa jenis material

4 digilib.uns.ac.id 8 T = Temperatur t = Waktu k = Konduktivatas termal = Laju pertumbuhan panas internal Hubungan laju pertumbuhan panas non linear, adalah q = -k h T (2.3) Gambar 6. Mesh yang digunakan pada model ( Sumber : Zhigang, et al ) Gambar 2.2. Pengaturan model untuk analisis Resistance Spot Welding Pengaturan model pada gambar 2.2 di atas memiliki kondisi batas guna melengkapi deskripsi matematis dan diikuti dengan persamaan persamaan seperti di bawah ini dan diperlihatkan pada gambar 2.3 : Г (AGF) - k 1 = h (T - ) (2.4) Г (BCDHI) - k 1 = h (T - ) (2.5) Г (OEF) - k 1 = 0 (2.6) Dimana ; h w = Koefisien perpindahan panas konveksi air pendingin T w = Temperatur air pendingin (10 0 C) H a = Koefisien perpindahan panas konveksi udara ambient (25 W/m 2.K) T a = Temperatur udara ambient (21 0 C) commit to user

5 digilib.uns.ac.id 9 Gambar 2.3. Kondisi batas dari Model RSW yang digunakan ( Sumber : Zhigang, et al ) Prosedur numerik dibutuhkan setelah membentuk kondisi batas di atas, agar supaya memperkuat akurasi atau ketepatan penghitungan di dalam area yang disimulasikan untuk mengurangi biaya analisis. Model yang dikembangkan, di-mesh menggunakan tiga jenis elemen. Elemen solid yang digunakan untuk mensimulasikan interaksi termoelektrik dari plat logam dan elektroda elektroda. Elemen kontak dari sepasang elemen digunakan untuk mensimulasikan area area kontak. Ada tiga area kontak dalam model ini. Area kontak 1 dan 2 menunjukkan antarmuka benda kerja dengan elektroda dan area kontak 3 memperlihatkan faying surface. Agar supaya mendapatkan hasil hasil yang lebih akurat, mesh mesh yang rapat ditempatkan sekitar area area kontak, sementara mesh mesh area lain relatif kasar, seperti ditunjukkan pada gambar 2.4 di bawah ini. commit to user

6 digilib.uns.ac.id 10 Gambar Desain mesh dari model yang dirancang. ( Sumber : Zhigang, et al ) Model komputasi telah digunakan untuk mensimulasi proses RSW agar supaya memahami akan efek efek dari parameter parameter proses pada perpindahan panas secara menyeluruh. Model yang dikembangkan mendefinisikan temperaturr tiap lokasi di dalam distribusi distribusi elektroda dan benda kerja sebagai sebuah fungsi waktu dari start awal. Prediksi prediksi temperatur melawan waktu pada pusat nugget lasan sebagus pusat antarmukaa plat dan elektrodaseperti yang diperlihatkan pada gambar 2.5. Hasil yang terhitung mengindikasikan bahwa ada perbedaan skala temperatur selama proses RSW. Gambar 2.5. Distribusi temperatur dari dua titik ( Sumber commit : Zhigang, to user et al )

7 digilib.uns.ac.id 11 Distribusi temperatur yang umum dalam pengelasan pada empat waktu yang berbeda selama proses RSW. Pada saat proses pengelasan dimulai, temperatur pada bagian tengah faying surface (permukaan dari dua atau lebih material yang saling kontak karena disambung atau tersambung) telah meningkat sangat cepat. Pada separuh awal dari siklus pertama, temperatur telah melebihi C, dimana temperatur antarmuka benda kerja dan elektroda timbul perlahan lahan. Gambar 2.6 memperlihatkan distribusi temperatur awal. Hal ini dapat terlihat bahwa panas dihasilkan sepanjang garis kontak faying surface yang disebabkan tahanan kontak, ketika temperatur antarmuka benda kerja dengan elektroda masih pada nilai awal. Gambar 2.6. Distribusi temperatur pada sub-langkah awal ( Sumber : Zhigang, et al ) Temperatur tertinggi dipertahankan pada bagian tengah faying surface selama proses pengelasan seperti yang terlihat pada gambar 2.7. Fase pelelehan yang pertama muncul pada faying surface. Pada paruh kedua dari siklus keenam, temperatur tertinggi mencapai C. Temperatur ini adalah titik leleh baja karbon rendah, yang berarti nugget mulai terbentuk pada temperatur ini. Gambar 2.7. Distribusi temperatur pada saat Nugget mulai terbentuk ( Sumber commit : Zhigang, to user et al )

8 digilib.uns.ac.id 12 Bentuk nugget umumnya oval ketika temperatur telah naik, nugget tetap tumbuh. Temperatur maksimum di pusat nugget, C, timbul pada paruh pertama dari siklus terakhir seperti yang terlihat pada gambar 2.8. Gambar 2.8. Distribusi temperatur pada saat akhir temperatur maksimum ( Sumber : Zhigang, et al ) Geometri nugget telah terbentuk secara utuh pada waktu ini. Temperatur pada antarmuka benda kerja dengan elektroda, meningkat secara perlahan dan bertemperatur maksimum pada C pada akhir siklus pemanasan. Karena arus listrik berhenti pada 0,2 detik, lasan mulai mendingin. Dalam waktu yang sangat singkat, temperatur pada pusat nugget berkurang hingga C, dan kemudian temperatur stabil untuk sesaat disebabkan panas laten dari perubahan fasa. Pada akhir simulasi, temperatur pada pusat nugget adalah C. Temperatur pada pusat antarmuka benda kerja dengan elektroda telah berkurang lebih lambat dan terukur pada temperatur C pada akhir 0,6 detik. Gambar 2.9. Distribusi temperatur untuk waktu yang berbeda dari proses RSW ( Sumber commit : Zhigang, to user et al )

9 digilib.uns.ac.id 13 Thakur, et al. (2010) juga menggunakan sebuah model Metode Elemen Hingga 2-D Axisymmetric untuk menganalisis perilaku termal transien menggunakan ANSYS Software dan analisis termoelektrik struktural tergabung yang ditampilkan dengan menggunakan elemen medan tergabung maju PLANE223 untuk mensimulasikan karakteristik termal dari proses RSW. Model Analisis Elemen Hingga dari proses RSW ditunjukkan dalam gambar 2.10 dan 2.11 yang mana axisymmetric terhadap sumbu x karena hanya separuh proporsi dari model keseluruhan yang dianalisa. Sumbu x adalah permukaan kontak dua plat baja yang disebut faying surface. Model di-mesh menggunakan tiga elemen; PLANE223, CONTA172, dan TARGE169. Elemen PLANE223 dengan kemampuan struktur termolektrik mempunyai delapan model yang setiap nodal sampai memiliki empat derajat kebebasan. Empat derajat kebebasan yaitu UX, UY, TEMP dan VOLT. Elemen yang lain adalah elemen kontak yang terdiri dari sepasang kontak CONTA172 dan TARGE169. Kontak muncul ketika permukaan elemen menekan satu dari elemen elemen segmen target (TARGE169) pada permukaan target yang ditentukan. Tiap perpindahan translasi atau rotasi, gaya, momen, temperatur, tegangan, dan potensial magnet dapat dibebankan pada elemen segmen target. Gambar Mesh dari commit model to user Analisis Elemen Hingga ( Sumber : Thakur, et al., 2010 )

10 digilib.uns.ac.id 14 Gambar di bawah ini menunjukkan kondisi kondisi batas ditentukan untuk analisis. Permukaan bagian atas dari elektroda atas dan permukaan bagian bawah dari elektroda bawah berposisi dalam arah x dan y. Sebuah perbedaan tegangan diberikan pada permukaan bagian atas dari elektroda atas dan permukaan bagian bawah dari elektroda bawah. Koefisien konveksi udara (21 W/m 2. 0 C) ditempatkan pada sekeliling permukaan elektroda dan plat baja yang berhadapan langsung dengan lingkungan sekelilingnya. Koefisien konveksi air (300 W/m 2. 0 C) diterapkan pada permukaan sebelah dalam elektroda elektroda yang dalam kontak dengan air pendingin yang bersirkulasi dengan temperatur awal, 10 0 C. Arus listrik dibebankan pada permukaan atas dari elektroda atas. Guna mensimulasikan proses pendinginan pengelasan, waktu yang dipertahankan adalah 60 milidetik. Gaya sebesar 3000 N ditempatkan pada bagian atas elektroda yang ekuivalen terhadap tekanan pneumatik yang digunakan pada plat baja. Sifat paling penting dalam simulasi proses RSW adalah ketahanan kontak Faying Surface. Guna menyederhanakan masalah, ketahanan kontak ditentukan sebagai sebuah fungsi temperatur. Gambar Kondisi batas ( Sumber : Thakur, et al., 2010 ) Kemudian Gambar 2.12 di bawah menunjukkan distribusi tegangan Von Mises setelah tahap penekanan. Tegangan commit maksimum to user (2,81 kpa) timbul pada tepi

11 digilib.uns.ac.id 15 tahanan kontak antara elektroda dan benda kerja. Tahanan kontak pada antarmuka benda kerja elektroda cukup baik dari sisi keseragamannya dan dalam daerah dekat tepi elektroda, ada konsentrasi tegangan yang besar. Tegangan sisa pengelasan dihasilkan dalam sambungan las sebagai sebuah hasil dari deformasi plastis yang disebabkan oleh ekspansi termal yang tak seragam dan kontraksi yang disebabkan distribusi temperatur yang tak seragam dalam proses pengelasan. Gambar Distribusi Tegangan Von Mises selama proses penekanan ( Sumber : Thakur, et al., 2010 ) Deformasi pada akhir tahap penahanan lebih besar daripada tahap penekanan. Hal ini berarti banyak deformasi dihasilkan dalam proses RSW disebabkan ekspansi termal. Gambar 2.13 menunjukkan profil temperatur dan nugget tumbuh pada saat nugget mulai terbentuk. Pada saat memulai proses pengelasan, temperatur pada pusat faying surface meningkat sangat cepat. Temperatur paling tinggi masih pada pusat faying surface sepanjang proses pengelasan keseluruhan. Gambar Distribusi temperatur pada waktu Nugget mulai terbentuk ( Sumber commit : Thakur, to user et al., 2010 )

12 digilib.uns.ac.id 16 Arus listrik berhenti pada 0,3 detik maka dari itu pengelasan mulai mendingin. Dalam waktu yang sangat singkat, temperatur pusat nugget menurun. Temperatur pada pusat antarmuka benda kerja dengan elektroda menurun lebih lambat tapi tetap berjalan. Gambar 2.14 di bawah ini menunjukkan distribusi temperatur pada akhir tahap penahanan yaitu setelah arus litrik pengelasan dimatikan. 2.2 Dasar Teori Gambar Distribusi temperatur pada akhir waktu penahanan ( Sumber : Thakur, et al., 2010 ) Dalam Resistance Spot Welding plat yang dilas, dijepit pada tempat sambungan dengan sepasang elektroda dari paduan tembaga dan kemudian dialiri arus listrik yang besar dalam waktu yang singkat. Karena aliran listrik antara kedua elektroda tersebut harus melalui logam yang dijepit, maka pada tempat jepitan timbul panas yang menyebabkan logam di tempat tersebut mencair dan tersambung. Pada tempat kontak antara elektroda dan plat juga terjadi panas karena resistansi listrik, tetapi tidak sampai mencairkan logam, karena ujung ujung elektroda didinginkan air (Wiryosumarto, 2000). Gambar Skema commit Las to Titik user Tahanan Listrik (Sumber : Wiryosumarto, 2001)

13 digilib.uns.ac.id 17 Dasar Teori Tegangan Von Mises Tegangan Von Misess menyatakan bahwa keluluhan (yielding) akan timbul ketika nilai tegangan geser akar rata rata kuadrat mencapai nilai kritis. Dinyatakan secara matematis, ǖ ƾ ƾ ê ê ƾ ê (2.7 Atau secara ekuivalen, ƾ ƾ ƾ (2.8) Selanjutnya, mungkin dapat ditemukan dengan mempertimbangkann sebuah pengujian tegangan uniaksial dalam satu arah. Mensubstitusikan, 0 pada keluluhan, Tegangan Von Mises dapat dinyatakan sebagai, ƾ ƾ ƾ 2 6Ɗ (2.9) Gambar 2.16 adalah daerah luluh dengan 0 Dalam bentuk yang lebih umum, persamaan 2.1 dapat dituliskan sebagai, 7) ƾ 8 ƾ Ɗ (2.10) (Hosford, 2011) Gambar Daerah luluh dari Tegangan Von Mises (Sumber commit : Hosford, to user 2011)

14 digilib.uns.ac.id 18 Distribusi temperatur pada perpindahan panas konduksi Distribusi temperatur dalam dinding dapat ditentukan dengan menyelesaikan persamaan panas dengan kondisi batas yang tepat. Untuk kondisi tunak (steady state), dengan tidak adanya sumber yang terdistribusi di dalam dinding, bentuk yang tepat dari persamaan panas adalah, 1 Ɗ 8 8 Dan untuk persamaan Flux Panas, = 0 (2.11) " 8 = = Ɗ 1 8 (2.12) Gambar Perpindahan panas melewati dinding bidang. (a) Distribusi Temperatur. (b) Sirkuit Termal Ekuivalen. (Sumber : Incropera, 2011) Karena itu, dari persamaan (2.10), maka, untuk satu-dimensional, konduksi tunak (steady state) dalam dinding bidang tanpa pertumbuhan panas, flux panas adalah konstan, tidak tergantung jarak x. Jika konduktivitas termal dari material dinding diasumsikan konstan, dapat diintegralkan dua kali untuk memperoleh solusi commit to user umum,

15 digilib.uns.ac.id 19 ƾ = + (2.13) Untuk memperoleh konstanta konstanta integrasi, dan, kondisi batas harus dimasukkan. Untuk hal ini, dipilih menggunakan kondisi dari jenis pertama pada x = 0 dan x = L, yaitu ƾ0 =, dan ƾ =, (2.14) Menggunakan kondisi pada x = 0 untuk solusi umum, maka, = (2.15) Begitupun pada x = L, Selain itu,, = + = +, (2.16) 1, 1,ê = (2.17) Mensubstitusikan ke dalam solusi umum, maka distribusi temperatur menjadi, ƾ =,, 8 +, (2.18) Dari persamaan 2.10 di atas membuktikan bahwa, untuk satu dimensional, konduksi tunak (steady state) dalam dinding bidang tanpa pertumbuhan panas dan konduktivitas termal, temperatur berubah secara linear sebesar jarak x (Incropera, 2011). commit to user