Gambar 4.1. Hasil pengamatan struktur mikro.

Transkripsi

1 38 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Struktur Mikro Struktur mikro yang dihasilkan pada Gambar 4.1 memiliki tiga bagian, titik 0 mm dan 5 mm dari sumbu las masuk pada daerah las, titik 10 mm dan 15 mm sudah ada pada daerah HAZ, dan titik 25 mm daerah logam induk. Lima titik (0, 5, 10, 15, dan 25 mm) pada pengamatan struktur mikro baik untuk sampel Double V Groove dan Double Bevel Groove memiliki struktur yang identik. Struktur mikro yang dihasilkan memiliki fasa ferrite dan pearlite. Ferrite memiliki butir dengan warna terang, kemudian pearlite butirnya berwarna abu-abu gelap. Munculnya struktur mikro dengan ferrite dan pearlite akibat sampel uji mengalami pendinginan lambat di udara ruangan. 20μm Pearlite Ferrite 0 mm dari sumbu las 20μm Ferrite Pearlite 5 mm dari sumbu las Gambar 4.1. Hasil pengamatan struktur mikro. 38

2 39 20μm Ferrite Pearlite 10 mm dari sumbu las 20μm Pearlite Ferrite 15 mm dari sumbu las 20μm Pearlite Ferrite 25 mm dari sumbu las Gambar 4.1. Hasil pengamatan struktur mikro. (Lanjutan) Menurut Gambar 4.1 di titik 0 mm dan 5 mm memiliki ukuran butir kecil. Titik 10 mm dan 15 mm memiliki ukuran butir campuran, besar dan kecil. Titik 25 mm di semua sampel memiliki ukuran butir yang besar. 39

3 40 Material baja karbon AISI 1020 masuk pada kategori baja karbon rendah, sifatnya memiliki keuletan dan ketangguhan yang baik. Struktur mikro baja karbon AISI 1020 direpresentasikan pada titik 25 mm atau telah berada di logam induk dengan ukuran butir yang lebih besar (kasar) dibanding daerah las. Titik 0 mm dan 5 mm memiliki ukuran butir kecil, dan terbentuk dari pencairan logam filler dari jenis kawat las E6013. Ukuran butir kecil membuat area batas butir semakin luas sehingga mencegah dislokasi, akibatnya material menjadi semakin keras. Titik 10 mm dan 15 mm memiliki ukuran butir campuran, yang terbentuk dari pencairan antara logam induk dan logam filler, serta masuk di daerah terpengaruh panas. Kekerasan di daerah ini tentunya dibawah logam las bila dilihat dari ukuran butir. Titik 25 mm memiliki ukuran butir yang besar karena pengamatan telah berada di logam induk. Meski daerah ini terkena pengaruh panas, namun tidak merubah sifat mekanis, dan kekerasan material relatif sama atau sedikit lebih tinggi dibanding daerah HAZ. Kekakuan dan kekerasan bahan erat kaitanya dengan struktur mikro, karena struktur mikro dapat dipakai untuk mengetahui karakteristik kekuatan bahan. Material yang dilas akan memiliki struktur mikro dengan butiran halus di daerah lasan dan mulai kasar di daerah terpengaruh panas dan logam induk. Hal ini membuat daerah las menjadi keras namun getas, sehingga regangan yang terjadi lebih kecil dibanding logam induk. Nilai kekerasan akibat ukuran butir berakibat meningkatnya nilai modulus kekakuan (elastisitas) bahan. Ukuran butir mempengaruhi sifat mekanis, dimana menurut Saripuddin dan Lauw (2013) ukuran butir mempengaruhi nilai kekerasan bahan. Pada proses pengelasan kekerasan di daerah las lebih tinggi dibanding daerah logam induk dan HAZ. Kemudian, penelitian Aisyah (2010) mengungkapkan pengelasan pada baja karbon berakibat pada perubahan struktur mikro dan sifat mekanik karena siklus termal dan proses pendinginan, hal ini membuat daerah las menjadi keras namun getas dibanding logam induk. Modulus kekakuan erat kaitanya dengan munculnya tegangan sisa dan pengaruhnya pada nilai frekuensi natural. Widyanto (2014) meneliti bahwa tegangan sisa dapat disebabkan oleh perubahan struktur bahan di daerah las akibat 40

4 41 siklus termal proses pengelasan. Rozy, dkk (2013) mengungkapkan bahwa frekuensi natural berhubungan dengan kekakuan dan kekerasan bahan, yang diekspresikan dalam modulus elastisitas. Fenomena terbentuknya fasa setelah pendinginan sesuai penelitian Jokosisworo (2006) yang menyebutkan bahwa pendinginan lambat akan membentuk material baja karbon menjadi fasa ferrite dan pearlite. Kemudian struktur mikro menurut riset Setiawan dan Wardana (2006) terbentuk oleh jenis pendinginan, komposisi logam las, jenis kawat las, dan kondisi udara saat pengelasan. Pada pengamatan struktur mikro juga dapat dilihat perubahan struktur di titik 0, 5, 10, dan 15 mm. Pemetaan ini dapat memiliki arti terjadi perubahan parameter kisi, jika nantinya dibandingkan dengan bahan referensi ( d 0 ) saat pengukuran tegangan sisa. Sehingga distribusi tegangan sisa dapat sangat signifikan di dareah tersebut. 4.2 Struktur Makro Pengamatan struktur makro dimaksudkan untuk melihat perubahan struktur di daerah lasan, HAZ, dan logam induk. Pengamatan juga dilakukan untuk dapat melihat munculnya cacat pada pangelasan. Gambar 4.2 dan 4.3 menunjukkan adanya pengaruh geometri pengelasan terhadap besarnya daerah lasan ( fusion zone) dan daerah HAZ. Sampel Double V Groove dan Double Bevel Groove dengan sudut 30 memiliki lebar daerah terpengaruh panas yang lebih besar dibanding sudut 22.5 dan 20. Lebar daerah lasan dan daerah terpengaruh panas memiliki pengaruh pada kekerasan bahan. Sehingga geometri pengelasan tentu berpengaruh juga terhadap regangan dan nilai modulus elastisitas secara keseluruhan. Semakin lebar sudut kampuh menjadikan lebar daerah las semakin besar dan kekuatannya semakin tinggi namun regangan menjadi semakin kecil. Apabila tegangan konstan dan nilai regangan yang kecil dapat menjadikan modulus elastisitas naik. Seperti dijelaskan pada pembahasan struktur mikro modulus elastisitas akan berkaitan dengan tegangan sisa dan frekuensi natural bahan. 41

5 42 20 Cacat Las Daerah Las HAZ Logam Induk 2 mm 22.5 Daerah Las HAZ Cacat Las Logam Induk 2 mm 30 Daerah Las Cacat Las HAZ Logam Induk 2 mm Gambar 4.2. Struktur makro sampel Double V Groove. 42

6 43 20 Daerah Las HAZ Logam Induk Cacat Las 2 mm 22.5 Daerah Las HAZ Logam Induk Cacat Las 2 mm 30 Cacat Las HAZ Daerah Las Logam Induk Cacat Las 2 mm Gambar 4.3. Struktur makro sampel Double Bevel Groove. 43

7 44 Pada pangamatan struktur makro dipakai juga untuk melihat munculnya cacat las. Cacat las yang dialami sampel adalah slag inclusion. Alur/ kampuh Double V Groove memiliki sedikit cacat las, terutama pada sampel dengan kemiringan 30 dan Besarnya lebar daerah terpengaruh panas diakibatkan karena semakin besar sudut kampuh masukan panas juga makin lama dan besar. Luas daerah las dan daerah terpengaruh panas juga mempengaruhi sifat mekanik. Lebar terpengaruh panas dapat meningkatkan kekakuan material sehingga membuat material tidak mampu menyerap getaran. Sedangkan munculnya cacat las dapat terjadi akibat sudut alur yang terlalu kecil menghalangi peneterasi saat proses pengelasan, sehingga saat melakukan multipass, pembersihan slag kurang bersih. Lebar daerah terpengaruh panas ini dijelaskan pada penelitian Suharno (2008) saat uji struktur makro, bahwa luas daerah terpengaruh panas diakibatkan oleh tingkat masukan panas (heat input). 4.3 Regangan dan Tegangan Sisa Regangan Sampel yang diukur memiliki 5 titik pengamatan, 0 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm, dan 25 mm dari sumbu las. Apabila diurut dari sumbu las, sampel Double V Groove dengan sudut kemiringan 22.5 memiliki nilai micro strain, -128, -744, 15, 682, dan 514. Double V Groove 30 memiliki nilai micro strain, -231, 684, 1127, 991, dan 938. Sampel Double Bevel Groove 22.5 memiliki nilai micro strain -665, -201, 598, 624, dan 307. Sampel Double Bevel Groove 30 memiliki nilai micro strain, 390, 49, 563, 1220, dan 384. Grafik distribusi micro strain arah aksial dapat dilihat pada Gambar 4.4, dimana d 0 filler yang dipakai untuk titik 0 mm dan 5 mm, d 0 base metal untuk titik 5 mm, 10 mm, dan 5 mm. Pengukuran arah hoop, micro strain sampel Double V Groove, dengan sudut kemiringan 22.5 jika diurut dari sumbu las nilainya 596, 855, 1133, 470 dan -58. Sampel Double V Groove 30 memiliki nilai micro strain arah hoop, - 513, 1085, 656, 965, dan -75. Sampel Double Bevel Groove 22.5 nilai micro strain arah hoop adalah -414, 197, 750, -28, dan Sampel Double Bevel Groove 30 memiliki nilai micro strain 303, 198, 909, 420, dan 181. Kemudian 44

8 45 untuk grafik distribusi micro strain arah hoop dapat dilihat pada Gambar 4.5, dimana d 0 filler yang dipakai untuk titik 0 mm dan 5 mm, d 0 base metal untuk titik 5 mm, 10 mm, dan 5 mm. Gambar 4.4. Distribusi micro strain arah aksial. Gambar 4.5. Distribusi micro strain arah hoop. Orientasi dari data micro strain arah aksial dan hoop dihasilkan dari titik 0 mm hingga 10 mm atau 15 mm memiliki regangan tarik, dan mulai terjadi regangan tekan dari titik 15 mm hingga 25 mm. Regangan tarik di titik 0 mm hingga 15 mm terjadi karena pada daerah ini saat proses solidifikasi akan terjadi penyusutan volume di daerah las dan HAZ yang kemudian ditahan oleh logam induk. Saat pendinginan penyusutan tersebut membuat titik 0 mm dan 15 mm mulai mengalami regangan tarik dan titik 15 mm hingga 25 mm mengalami 45

9 46 regangan tekan. Sehingga muncul konfigurasi regangan terjadi tarik ( tensile) di dekat logam las dan menjadi tekan saat menjauhi HAZ setelah pendinginan. Widyanto (2014) dalam penelitiannya juga mengungkapkan pengaruh proses solidifikasi akan terjadi penyusutan volume (perubahan parameter kisi) sehingga timbul regangan yang menjadi sebab munculnya tegangan sisa. Wiryosumarto dan Okumura (2000) menyebutkan pada bagian yang dilas akan terjadi pengembangan thermal, kemudian bagian dingin tidak berubah membentuk penghalang bagi pengembangan thermal sehingga terjadi regangan (strain) dan tegangan sisa. Menurut Wiryosumarto dan Okumura (2000) normalnya distribusi regangan dan tegangan sisa pada las melingkar akan mencapai kekuatan luluh (regangan sisa tertinggi) pada daerah terpengaruh panas dan menurun mencapai nol saat menjauhi daerah las. Namun, terjadi anomali pada data pengukuran micro strain baik untuk pengukuran arah aksial dan hoop. Distribusi micro strain arah aksial anomali berada di titik 5 mm untuk sampel Double V Groove 22.5 dan Double Bevel Groove 30. Distribusi micro strain arah hoop anomali ada di titik 5 dan 10 mm, untuk sampel Double V Groove 30 dan Double Bevel Groove 30. Anomali terjadi akibat dilakukan pengelasan ulang pada cover, sehingga terbentuk mekanisme regangan baru pada titik tersebut. Hal yang sama juga akan terjadi saat perhitungan tegangan sisa karena berkaitan dengan pembahasan pada regangan Tegangan Sisa Data micro strain yang diperoleh kemudian dipakai untuk mencari nilai tegangan sisa. Hasil perhitungan distribusi tegangan sisa arah aksial dapat dilihat pada gambar 4.6 memiliki konfigurasi sebagai berikut, sampel Double V Groove, sudut kemiringan 22.5 di titik 0 mm 36 MPa. Titik 5 mm dengan -105 MPa mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 0 mm. Titik 10 mm dengan 140 MPa, mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 5 mm. Titik 15 mm dengan 246 MPa, mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 10 mm, dan titik 25 mm dengan 136 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 15 mm. Sampel Double V Groove 30, di titik 0 mm nilai tegangan sisanya -126 MPa. Titik 5 mm dengan 320 MPa dan mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 0 mm. Titik 10 mm nilainya 393 MPa, mengalami tegangan tarik relatif 46

10 47 terhadap titik 5 mm. Titik 15 mm nilainya 391 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 10 mm. Kemudian titik 25 mm 252 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 15 mm. Sampel Double Bevel Groove 22.5 di titik 0 mm nilai tegangan sisa -235 MPa. Titik 5 mm dengan -33 MPa, mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 0 mm. Titik 10 nilainya mm 256 MPa, mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 5 mm. Titik 15 mm nilainya 171 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 10 mm. Kemudian titik 25 mm 66 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 15 mm. Double Bevel Groove 30 di titik 0 mm nilai tegangan sebesar 145 MPa. Titik 5 mm dengan 37 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 0 mm. Titik 10 nilainya mm 266 MPa, mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 5 mm. Titik 15 mm nilainya 390 MPa, mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 10 mm. Kemudian titik 25 mm 126 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 15 mm. Gambar 4.6. Distribusi tegangan sisa arah aksial. Distribusi tegangan sisa arah hoop dapat dilihat pada Gambar 4.7 memiliki konfigurasi sebagai berikut, sampel Double V Groove 22.5 di titik 0 mm 151 MPa. Lalu di titik 5 mm dengan 149 MPa mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 0 mm. Titik 10 mm dengan 317 MPa mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 5 mm. Titik 15 mm dengan 213 MPa mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 10 mm, dan titik 25 mm dengan 45 MPa mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 15 mm. 47

11 48 Sampel Double V Groove 30 di titik 0 mm memiliki nilai tegangan -171 MPa. Titik 5 mm dengan 384 MPa mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 0 mm. Titik 10 nilainya mm 317 MPa mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 5 mm. Titik 15 mm nilainya 387 MPa mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 10 mm. Kemudian titik 25 mm 91 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 15 mm. Sampel Double Bevel Groove 22.5 di titik 0 mm nilai tegangan -195 MPa. Titik 5 mm dengan 31 MPa mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 0 mm. Titik 10 nilainya mm 280 MPa mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 5 mm. Titik 15 mm nilainya 64 MPa mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 10 mm. Kemudian titik 25 mm -8 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 15 mm. Sampel Double Bevel Groove 30 di titik 0 mm nilai tegangan sebesar 131 MPa. Titik 5 mm dengan 61 MPa mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 0 mm. Titik 10 mm nilainya 321 MPa mengalami tegangan tarik relatif terhadap titik 5 mm. Titik 15 mm nilainya 263 MPa mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 10 mm. Kemudian titik 25 mm 96 MPa, mengalami tegangan tekan relatif terhadap titik 15 mm. Gambar 4.7. Distribusi tegangan sisa arah hoop. Distribusi tegangan sisa arah aksial, sampel Double V Groove 30 di hampir semua titik memiliki nilai tertinggi dibanding sampel lain, yaitu di titik 5 mm, 10 mm, 15 mm, 25 mm dari sumbu las, kecuali di titik 0 mm Double Bevel Groove 48

12 49 30, memiliki nilai tegangan sisa tertinggi. Nilai tegangan sisa terendah ada pada sampel Double V Groove 22.5 dan Double Bevel Groove Sampel Double Bevel Groove 22.5 dengan tiga titik, 0 mm, 15 mm, 25 mm, kemudian sampel Double V Groove 22.5 dengan dua titik, 5 mm dan 10 mm. Distribusi tegangan sisa arah hoop untuk sampel Double V Groove 30 juga memiliki nilai tertinggi dibanding sampel lain, yaitu di titik 5 mm, 10 mm, 15 mm, 25 mm dari sumbu las, lalu pada titik 0 mm sampel Double V Groove 22.5 memiliki nilai tegangan tertinggi. Sementara itu, untuk titik terendah ada pada sampel Double Bevel Groove 22.5, yaitu di titik 0 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm dan 25 mm. Double V Groove 30 mengalami tegangan sisa tertinggi, dapat diakibatkan karena memiliki sudut kampuh paling besar dari semua sampel. Heat input (masukan panas) yang dialami tentu berkaitan dengan bentuk dan besarnya geometri sudut kampuh. Sudut kampuh yang besar tentu membuat heat input dan paparan panas yang dialami sampel menjadi lebih lama dan makin tinggi, dan tegangan sisa meningkat. Penelitian Widyanto (2014) mengungkapkan bahwa semakin besar sudut kampuh yang digunakan semakin tinggi nilai tegangan sisa yang didapat. Besaran masukan panas ( heat input) mempengaruhi regangan melalui pemuaian bahan. Bila regangan melebihi batas transformasi dan batas luluh bahan atau sampai deformasi plastis, regangan akan bersifat tetap setelah diikuti proses pendinginan. Widyanto (2014) dalam penelitiannya juga menjelaskan tegangan sisa akibat deformasi plastis yang tidak seragam, lalu diikuti penyusutan saat proses pendinginan. Setelah proses pengelasan kemudian diikuti proses pendinginan. Proses pendinginan membuat penyusutan volume material, sehingga muncul deformasi dan tegangan sisa. Tegangan sisa tertinggi berada di titik 5 mm, 10 mm, dan 15 mm diakibatkan karena pada bagian ini mengalami penyusutan terbesar dibanding derah dekat logam induk atau titik 25 mm. Fenomena solidifikasi dan penyusutan juga membuat daerah las dan HAZ berpotensi memiliki tegangan tarik saat sampel telah dingin. 49

13 50 Kemudian tegangan sisa tertinggi berada didaerah HAZ sesuai dengan penelitian Kohler, dkk (2012) yang menyatakan tegangan s isa terbesar ada pada titik HAZ. Orientasi distribusi yang terjadi juga sejalan dengan teori menurut Fitzpatrick dan Lodini (2003) dan penelitian Price, dkk (2006) bahwa tegangan tarik akan terjadi dekat logam las dan daerah terpengaruh panas, lalu terjadi tegangan tekan saat jaraknya menjauh dari garis las atau menuju logam induk. Selain regangan, pola struktur mikro dapat mempengaruhi nilai tegangan sisa. Ukuran butir yang kecil (halus) pada daerah terpengaruh panas membuat kekerasan lebih tinggi, dan modulus elastisitas naik. Apabila nilai regangan konstan, dengan modulus elastisitas yang tinggi, tegangan sisa dapat naik. Sampel dengan geometri sudut kampuh besar tentu akan memiliki modulus elastisitas menyeluruh dalam sampel yang tinggi, sehingga bila di kolaborasikan dengan regangan, tegangan sisa makin signifikan. Fenomena tersebut sejalan dengan formula tegangan, bahwa nilainya akan sama dengan modulus elastisitas dikali regangan. 4.4 Frekuensi Natural Pembahasan pengujian frekuensi natural difokuskan pada titik pengukuran 35 mm dari sensor accelerometer. Data pengujian dapat dilihat pada Gambar 4.8, memperlihatkan semakin besar sudut kampuh memiliki kecenderungan terhadap meningkatnya nilai frekuensi natural. Data yang diperoleh pada sampel Double V Groove 20 di tiga titik secara berurutan adalah Hz. Sampel Double V Groove 22.5 memiliki nilai frekuensi natural Hz. Double V Groove 30 memiliki nilai frekuensi natural Hz. Sampel Double Bevel Groove 20 memiliki nilai frekuensi natural Hz. Sampel Double Bevel Groove 22.5 memiliki nilai frekuensi natural Hz. Sampel Double Bevel Groove 30 memiliki nilai frekuensi natural Hz. Nilai frekuensi natural terbesar ada di sampel Double Bevel Groove dengan sudut kemiringan Hz, lalu Double V Groove 30 dengan Hz. Nilai terkecil ada di sampel Double V Groove 22.5 dengan Hz. Hasil pengujian menunjukkan ada perbedaan, namun tidak terlalu signifikan di setiap 50

14 51 variasi, dimana sampel dengan sudut kemiringan 30 memiliki nilai frekuensi natural tertinggi. Gambar 4.8. Hasil pengujian frekuensi natural. Frekuensi natural meningkat diakibatkan oleh proses pengelasan. Apabila dilihat pada struktur mikro, telah terjadi perubahan ukuran butir, sehingga berpengaruh pada nilai kekerasan dan kekakuan. Pada pengamatan struktur makro dapat dilihat semakin besar sudut kampuh membuat daerah las dan daerah terpengaruh panas semakin lebar. Daerah las yang lebar akan membuat material makin kaku dan regangan menjadi kecil, sehingga secara keseluruhan mempengaruhi nilai modulus elastisitas. Kekakuan dan kekerasan berhubungan dengan ukuran butir pada struktur mikro, karena struktur mikro dapat dipakai untuk mengetahui kekuatan bahan. Material yang dilas akan mengalami perubahan ukuran butir sehingga menjadi keras dan getas terutama di daerah las. Makin tinggi nilai modulus elastisitas maka material tersebut semakin kaku sehingga kemampuan menyerap getaran makin kecil, akibatnya frekuensi natural bahan akan naik. Rozy, dkk (2013) menyebutkan bahwa modulus elastisitas merupakan karakteristik dalam suatu logam, makin besar modulus elastisitas makin kecil regangan yang dihasilkan, dimana regangan tersebut yang nantinya akan mempengaruhi nilai modulus kekakuan. Semakin kecil regangan maka makin besar modulus kekakuan dan frekuensi natural sebuah material. 51

15 52 Nilai frekuensi natural juga sejalan dengan nilai tegangan sisa. Semakin besar tegangan sisa tentunya berpotensi meningkatkan nilai frekuensi natural, karena salah satu cara mengubah frekuensi adalah dengan merubah tegangannya. Sehingga tegangan sisa pada sebuah pembebanan struktural inilah yang menyebabkan naiknya modulus kekakuan sehingga berpengaruh terhadap nilai frekuensi natural. Efek tersebut telah dibuktikan melalui penelitian Jason, dkk (2014) bahwa tegangan sisa memiliki pengaruh pada frekuensi natural sistem. Sebelumnya Yongyi dan Lichuan (1996) juga menyebut makin ti nggi tegangan sisa karena pengelasan maka frekuensi natural komponen akan meningkat. Sudut kemiringan kampuh las tentu memiliki pengaruh terhadap besaran heat input saat proses pengelasan diikuti pendinginan. Akibat siklus termal tersebut berpengaruh pada ukuran butir, lebar daerah las, deformasi dan nilai tegangan sisa. Hasil pengujian menunjukkan meningkatnya nilai tegangan sisa sejalan dengan meningkatnya nilai frekuensi natural. 52