ANALISA KEKUATAN BENDING PADA PENGELASAN FRICTION STIR WELDING ALUMINIUM 6110 Jarot Wijayanto Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Institut Sins & Teknologi Akprind Yogyakarta Emai: jarot@akprind.ac.id ABSTRAK Friction Stir Welding merupakan proses pengelasan baru yang di promosikan dengan sedikit biaya dan kualitas sambungan yang baik. Hal itu dikarenakan tidak membutuhkan logam pengisi dan bisa menghilangkan atau sedikit cacat retak dan porositas. Prinsip FSW mengunakan tools yang berotasi dan bergerak melintas sehingga material terjadi penempaan pada pusat lasan menjadi lebur. Penelitian ini bertujuan menganalisa kekuatan bending hasil pengelasan aluminium paduan 6110 dengan sistem pengelasan FSW pada kecepatan mesin 1500 rpm dan 2280 rpm dengan vareasi kecepatan melintas 150 mm/mnt,200 mm/min, 250 mm/ min dan 300 mm/ min. Hasil kekuatan bending menunjukkan pada kecepatan putar mesin 1500 rpm nilai kekuatan lentur tertinggi sebesar 29.85 kg/mm 2 terdapat pada feed rate 200 mm/menit dan pada kecepatan putar mesin 2880 rpm nilai kekuatan tertinggi sebesar 28.99 kg/mm 2 terdapat pada feed rate 250 mm/menit. Hasil pengujian tarik menunjukkan kecepatan putar mesin 1500 rpm nilai tegangan tarik yang tertinggi sebesar 12.41 kg/mm 2 pada feed rate 150 mm/menit dan kecepatan putar mesin 2880 rpm menghasilkan nilai tegangan tarik yang tertinggi sebesar 12.41 kg/mm 2 pada feed rate 200 mm/menit, pada pengelasan dengan kecepatan putar mesin 1500 rpm didapat nilai kekerasan tertinggi pada logam lasan sebesar 40.6 kgf/mm 2, pada logam HAZ sebesar 38.50 kgf/mm 2 dan logam induk sebesar 65.45 kgf/mm 2, pada feed rate 200 mm/menit. Sedangkan pada pengelasan dengan kecepatan putar mesin 2880 rpm didapat kekerasan tertinggi pada logam lasan sebesar 38.50 kgf/mm 2, pada logam HAZ sebesar 39.52 kgf/mm 2 dan pada logam induk sebesar 63.57 kgf/mm 2, pada feed rate 200 mm/menit. Kata kunci : pengelasan, FSW, Aluminium Alloy, HAZ 1. PENDAHULUAN Pengelasan merupakan suatu proses penting di dalam dunia industri dan merupakan bagian yang tak terpisahkan dari pertumbuhan industri, karena memegang peranan utama dalam rekayasa dan reparasi produksi logam. Pengelasan adalah proses penyambungan setempat antara dua bagian logam atau lebih dengan memanfaatkan energi panas. Pengelasan merupakan teknik penyambungan logam yang dipergunakan secara luas, seperti pada kontruksi bangunan baja dan kontruksi mesin. Luasnya penggunaan teknologi pengelasan dikarenakan dalam proses pembuatan suatu kontruksi bangunan atau mesin akan menjadi lebih ringan dan lebih sederhana, sehingga biaya produksi menjadi lebih murah dan lebih efisien. Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang begitu pesat menuntut kembangnya sumber daya manusia. Banyak orang yang berusaha mengembangkan dalam mencari efisiensi-efisiensi yang lebih baik di bidang teknik pengelasan. Pengelasan merupakan bagian tak terpisahkan dari pertumbuhan peningkatan industri karena memegang peranan utama dalam rekayasa dan reparasi produksi logam. Lingkup penggunaan teknik pengelasan dalam bidang konstruksi sangat luas, meliputi perkapalan, jembatan, rangka batang berupa Baja atau Aluminium, pipa saluran dan lain sebagainya. Karena itu rancangan las harus betul-betul memperhatikan kesesuaian antara sifat-sifat las yaitu kekuatan dari sambungan dan memperhatikan sambungan yang akan dilas, sehingga hasil dari pengelasan sesuai dengan yang diharapkan.
Dalam memilih proses pengelasan harus dititik beratkan pada proses yang paling sesuai untuk tiap-tiap sambungan las yang ada pada konstruksi. Dalam hal ini dasarnya adalah efisiensi yang tinggi, biaya yang murah, penghematan tenaga dan penghematan energi sejauh mungkin. Mutu dari hasil pengelasan disamping tergantung dari pengerjaan lasnya sendiri, juga sangat tergantung dari persiapan sebelum pelaksanaan pengelasan, karena pengelasan adalah proses penyambungan antara dua bagian logam atau lebih dengan memanfaatkan energi panas. Friction Stir Welding (FSW) adalah suatu proses pengelasan baru yang ditemukan di TWI (The Welding Institute) oleh Wayne Thomas pada tahun 1991. Aplikasi harian Friction Stir Welding masih dikembangkan, seperti variasi desain tool, perbaikan teknik pengelasan dan perbaikan material tool baru untuk dapat memperpanjang umur pakai tool. Friction Stir Welding adalah proses pengelasan yang input panasnya didapatkan dari hasil gesekan antara tool yang digunakan dengan benda kerja (work piece). Temperatur cair material tool harus lebih tinggi dari benda kerja yang akan disambung agar pada saat pengelasan berlangsung tool tidak menyatu pada benda kerja. Metode ini menghasilkan daerah TMAZ (Thermomechanically Affected Zone) yang lebih kecil dibandingkan dengan pengelasan busur nyala. Selama ini pengelasan dengan metode FSW diterapkan pada Aluminium. Pengelasan ini telah berhasil menekan biaya proses pengelasan menjadi lebih murah karena pengelasan ini hanya membutuhkan input energi yang rendah dan tidak menggunakan filler metal. Kualitas hasil pengelasan Friction Stir Welding memiliki permukaan yang lebih halus dan rata dari hasil pengelasan tradisional lain, kuat dan tidak ada pori-pori yang timbul seperti pada proses pengelasan yang menggunakan busur nyala dan filler materials. Proses ini ramah terhadap lingkungan karena tidak ada uap atau percikan yang dihasilkan dan tidak ada silauan busur nyala atau pantulan sinar seperti pada fusion welding yang dapat merusak mata ketika proses pengelasan sedang berlangsung. Metode pengelasan Friction Stir Welding dapat digunakan untuk pengelasan similar metal atau disimilar metal. Kekurangan pengelasan dengan metode friction stir welding adalah dibutuhkan kekuatan yang sangat tinggi untuk proses clamping material las agar tidak bergerak ketika pengelasan sedang berlangsung, Tidak fleksibel dibandingkan pengelasan busur nyala, Untuk aplikasi pengelasan pada material berbeda dan ketebalan material yang berbeda maka tool yang digunakan juga dengan ukuran yang berbeda dan Membutuhkan mesin yang tangguh. 2. MATERIAL DAN METODE 2.1. Material Benda kerja yang digunakan untuk penelitian adalah alumunium 6110 dengan komposisi 0.12% Si, 0.87 Fe, 0.22 Cu, 0.25 Mn, 0.75 Mg, 0.01 Cr, 0,02 Ni, 0.33 Zn, 0.28 Ti, 0.01 Pb, 0.01 Ca, 0.02 Zr. yang berupa plat ketebalan 3,8 mm. Proses pengelasan menggunakan 2 kecepatan putar mesin (1500 rpm dan 2880 rpm) dengan variabel feed rate 150 mm/menit, 200 mm/menit, 250 mm/menit dan 300 mm/menit. Penggunaan tool mengunakan baja EMS 45 dengan dimensi pin panjang 3 mm, diameter bawah 3 mm, dengan tirus 5 0 dan diameter shoulder 20 mm. 2.2. Metode Penelitian Gesekan dua benda yang terus-menerus akan menghasilkan panas, ini menjadi suatu prinsip dasar terciptanya suatu proses pengelasan gesek. Pada proses Friction Stir Welding, sebuah tool yang berputar ditekankan pada material yang akan disatukan. Gesekan tool yang berbentuk silindris (cylindrical-shoulder) yang dilengkapi dengan sebuah pin/probe dengan material mengakibatkan pemanasan setempat yang mampu melunakkan bagian
tersebut. Tool bergerak pada kecepatan tetap (parameter 1) dan bergerak melintang (parameter 2) pada jalur pengelasan (joint line) dari material yang akan disatukan. Dua parameter itu digerakkan bersama-sama untuk menjaga suhu pada titik pengelasan. Gambar 1. Prinsip Friction Stir Welding (FSW) Logam dasar dipanaskan lebih dulu temperaturnya mencapai 80% dari titik leburnya sehingga menjadi lembut dan mudah disambung. Gesekan yang ditimbulkan antara tool dan benda kerja akan menghasilkan panas yang akan mambuat logam terbentuk sebuah aliran plastic yang efektif dari kedua buah logam yang disambung. Proses pengelasan FSW ini tidak sama dengan proses Fusion Welding, proses pengelasan FSW merupakan metode pengelasan fasa padat, sehingga proses ini menghasilkan sebuah sambungan yang kuat dan juga memiliki sifat mekanis yang bagus. Panjang dari pin sedikit lebih rendah dari pada kedalaman atau tebal material yang akan dilas agar tidak bersentuhan dengan alas. Shoulder harus bersentuhan dengan material yang akan dilas untuk menekan dan menjaga material yang dalam kondisi lunak. Gambar 2. Proses FSW Gambar 3. Skema FSW Pengelasan FSW memerlukan input energi yang rendah dan tidak menggunakan filler material. Dikembangkan untuk material non-ferrous seperti Aluminium. Dengan penggunaan material tool yang tepat, maka dalam sebuah proses pengelasan titik lebur tool harus lebih tinggi dan lebih keras dari material yang akan dilas. Jadi sangat penting bahwa material tool harus mempunyai kekuatan yang cukup, jika tidak tool dapat terpuntir dan retak. Pada Friction Stir Welding (FSW) sebuah tool yang berbentuk silindris (cylindricalshoulder) yang dilengkapi dengan sebuah shoulder dan sebuah probe yang dapat
berintegrasi atau sebagai pemisah dari kemungkinan masuknya suatu material berbeda. Desain shoulder dan probe sangat penting untuk kualitas las, yang mana probe dari tool menghasilkan panas dan menggerakkan material yang sedang dilas, shoulder juga berperan pada bagian penting yaitu menyediakan friction treatment tambahan seperti halnya mencegah material plasticised lepas dari daerah las. Selain itu keduanya juga bergerak pada kecepatan tetap dan bergerak melintang pada kedua sambungan dari material yang akan disatukan. Rancangan tool adalah faktor yang sangat mempengaruhi kualitas hasil lasan, karena rancangan tool yang tepat dapat meningkatkan kualitas las dan kecepatan las semaksimal mungkin. Panas yang dihasilkan dari gesekan tool dan material yang akan dilas sekitar 80% dari temperatur titik lebur material yang akan dilas. Material tool harus memiliki titik cair yang lebih tinggi dari material las, agar ketika proses pengelasan berlangsung material tool tidak ikut tercampur dengan lasan. Material tool harus mempunyai kekuatan yang cukup pada temperatur ini karena jika tidak maka tool dapat terpuntir dan retak. Oleh sebab itu diharapkan material tool cukup kuat, keras dan liat pada suhu pengelasan. Sebaiknya material yang digunakan juga mempunyai ketahanan oksida yang baik dan penghantar panas rendah untuk mengurangi kerugian panas dan kerusakan termal pada mesin. Pegangan Shoulder pin Gambar 4. Design of tool 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Uji Bending Pengujian bending dilakukan pada alumunium 6110 pada logam sebelum pengelasan dan sesudah pengelasan. Hasil yang diperoleh dari proses pengujian bending yang dilakukan untuk mengetahui besarnya nilai tegangan lentur (σ f ) raw material saat dilakukan uji bending. Dalam pengujian bending mampu deformasi untuk ukuran specimen pada pengujian ini mendapatkan beban maksimal terdapat pada sudut lengkung ± 45 0. (a) (b) Gambar 5. Hasil specimen uji bending; a) mengalami patah; b) tidak mengalami patah
Putaran mesin1500 rpm Putaran mesin 2880 rpm Tegangan Bending Kg/mm 2 ) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 38,13 29,71 29,85 28,99 24,78 26,51 26,42 24,99 11,89 150 200 250 300 Raw Material Feed Rate (mm/menit) Gambar 6. Grafik nilai pengujian bending Gambar 6. menunjukkan pada kecepatan putar mesin 1500 rpm nilai kekuatan lentur tertinggi sebesar 29.85 kg/mm 2 terdapat pada feed rate 200 mm/menit, sedangkan nilai kekuatan lentur terendah sebesar 24.99 kg/mm 2 terdapat pada feed rate 300 mm/menit dan pada kecepatan putar mesin 2880 rpm nilai kekuatan tertinggi sebesar 28.99 kg/mm 2 terdapat pada feed rate 250 mm/menit sedangkan nilai kekuatan lentur terendah sebesar 11.89 kg/mm 2 terdapat pada feed rate 300 mm/menit, diantara kecepatan putar mesin 1500 rpm dengan kecepatan putar mesin 2880 rpm untuk nilai kekuatan lentur tertingginya terdapat pada kecepatan putar mesin 1500 rpm. Hal ini dikarenakan dalam pengelasan pada kecepatan putar mesin 1500 rpm mengalami masukkan panas lebih rendah dibandingkan dengan kecepatan putar mesin 2880 rpm mengalami masukkan panas lebih tinggi. Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa makin besar masukkan panas makin besar pula penurunan sifat-sifat yang baik (H. Wiryosumarto., 1996). Pada pengelasan alumunium 6110 dengan metode friction stir welding terjadi penurunan nilai kekuatan lentur yang lebih rendah pada logam lasan dibandingkan dari kekuatan lentur pada logam induk. Hal ini disebabkan pada daerah lasan mengalami perubahan struktur mikro dan sifat mekanik akibat dari pengelasan pada alumunium 6610 (Paola., 1998). 3.2. Uji Tarik Hasil uji tarik diperlihatkan pada Gambar 7. Dimana secara keseluruhan proses FSW menghasilkan kekuatan tarik dibawah raw materialnya yang memiliki nilai tegangan tarik 16.89 kg/mm 2. Pada kecepatan putar mesin 1500 rpm nilai tegangan tarik yang tertinggi sebesar 12.41 kg/mm 2 pada feed rate 150 mm/menit, sedangkan nilai tegangan tarik yang terendah sebesar 11.2 kg/mm 2 pada feed rate 300 mm/menit dan pada kecepatan putar mesin 2880 rpm nilai tegangan tarik yang tertinggi sebesar 12.41 kg/mm 2 pada feed rate 200 mm/menit, sedangkan nilai tegangan tarik terendah sebesar 10.69 kg/mm 2 pada feed rate 300 mm/menit. Dari pengujian tarik pada pengelasan alumunium 6110 dengan metode friction stir welding nilai tegangan tarik logam las yang dihasilkan antara kecepatan putar mesin 1500 rpm dengan kecepatan putar mesin 2880 rpm relatif hampir sama terhadap nilai tegangan tariknya.
Tegangan Tarik (Kg/mm 2 ) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Tegangan; 1500 rpm 12,23 12,41 11,35 11,62 Tegangan; 2880 rpm 16,89 12,18 11,99 11,2 10,69 150 200 250 300 raw material Feed Rate (mm/menit) Gambar 7. Grafik nilai pengujian tarik Kekuatan tarik pada pengelasan ini sangat tergantung pada parameter kecepatan putar mesin dan feed rate. Hasil pengujian tarik semua spesimen putus pada daerah lasan. Alumunium 6110 adalah paduan dari Magnesium dan silikon yang termasuk dalam jenis yang dapat diperlaku-panaskan dan mempunyai sifat mampu potong, dan daya tahan tahan korosi yang cukup. Sifat yang kurang baik dari paduan ini adalah terjadinya pelunakkan pada daerah lasan sebagai akibat dari panas pengelasan yang timbul (H. Wiryosumarto., 1996), dari uraian diatas jika harga regangan semakin besar logam semakin ulet dan jika harga regangan kecil logam getas. 3.3. Uji Kekerasan Pada Gambar 8. dan 9. menunjukkan terjadi perbedaan nilai kekerasan yang pada masing-masing daerah pengelasan, baik yang ditunjukkan oleh pengelasan pada kecepatan putar mesin 1500 rpm dengan pengelasan pada kecepatan putar mesin 2880 rpm. Dari pengujian kekerasan yang telah diperoleh nilai kekerasan yang berbeda pula. Dari ujung logam induk sampai logam pada pengelasan dengan kecepatan putar mesin 1500 rpm didapat nilai kekerasan tertinggi pada logam lasan sebesar 40.6 kgf/mm 2, pada logam HAZ sebesar 38.50 kgf/mm 2 dan logam induk sebesar 65.45 kgf/mm 2, pada feed rate 200 mm/menit. Sedangkan pada pengelasan dengan kecepatan putar mesin 2880 rpm didapat kekerasan tertinggi pada logam lasan sebesar 38.50 kgf/mm 2, pada logam HAZ sebesar 39.52 kgf/mm 2 dan pada logam induk sebesar 63.57 kgf/mm 2, pada feed rate 200 mm/menit. Dalam penelitian ini diperoleh bahwa perubahan sifat mekanik alumunium alloy 6110 yang telah dilas dengan metode friction stir welding terjadi ketika ada perubahan parameter-parameter, yaitu kecepatan putaran mesin dan feed rate. (J. Adamowski., 2006) Nilai kekerasan tertinggi terdapat pada pengelasan pada kecepatan putar mesin 1500 rpm baik didaerah lasan, hal ini dikarenakan kecepatan putar mesin pada pengelasan lebih rendah masukkan panasnya dibandingkan pada kecepatan putar pengelasan 2880 rpm lebih tinggi masukkan panasnya. Sehingga pencairan material pada saat pengelasan lebih lama pada feed rate 200 mm/menit, akan tetapi pendinginan yang cepat menyebabkan nilai kekerasan menjadi lebih tinggi.
70 Putaran mesin 1500 rpm 60 VHN (kgf/mm2) 50 40 30 20 Feed rate 150 mm/menit Feed rate 200 mm/menit Feed rate 250 mm/menit Feed rate 300 mm/menit 10 0 Las HAZ Logam induk Daerah pengujian Gambar 8. Grafik nilai kekerasan pada kecepatan putar mesin 1500 rpm 70 Putaran mesin 2880 rpm 60 VHN (kgf/mm2) 50 40 30 20 Feed rate 150 mm/menit Feed rate 200 mm/menit Feed rate 250 mm/menit feed rate 300 mm/menit 10 0 Las HAZ Logam induk Daerah pengujian Gambar 9. Grafik nilai kekerasan pada kecepatan putar mesin 2880 rpm Semakin besar masukkan panas makin besar pula penurunan sifat-sifat yang baik pada material (H. Wiryosumarto., 1996). Pada pengelasan alumunium 6110 dengan metode friction stir welding terjadi penurunan nilai kekerasan yang signifikan pada daerah lasan dan HAZ dibandingkan dengan material induk logam las. 4. KESIMPULAN 1. Tegangan bending pada kecepatan putar mesin 1500 rpm nilai tertinggi sebesar 29.85 kg/mm 2 terdapat pada feed rate 200 mm/menit, pada kecepatan putar mesin 2880 rpm nilai tertinggi sebesar 28.99 kg/mm 2 terdapat pada feed rate 250 mm/menit. Tegangan Bending pada logam induk sebesar 38.13 kg/mm 2. 2. Tegangan tarik pada kecepatan putar mesin 1500 rpm nilai yang tertinggi sebesar 12.23 kg/mm 2 pada feed rate 150 mm/menit, tegangan tarik pada kecepatan putar mesin 2880 rpm nilai yang tertinggi sebesar 12.41 kg/mm 2 pada
feed rate 200 mm/menit, Tegangan tarik pada logam induk sebesar 16.89 kg/mm 2 sedangkan nilai kekuatan tarik pada logam lasan yang terendah sebesar 10.69 kg/mm 2 yang terendah. 3. Kekerasan pada kecepatan putar mesin 1500 rpm nilai kekerasan tertinggi pada logam lasan sebesar 40.26 kgf/mm 2, pada logam HAZ sebesar 40.02 kgf/mm 2 dan pada logam induk sebesar 62.31 kgf/mm 2, pada feed rate 150 mm/menit dan kekerasan pada kecepatan putar mesin 2880 rpm nilai kekerasan tertinggi pada logam lasan sebesar 38.50 kgf/mm 2, pada logam HAZ sebesar 39.52 kgf/mm 2 dan pada logam induk sebesar 63.57 kgf/mm 2, pada feed rate 200 mm/menit. DAFTAR PUSTAKA Adamowski J. & Szkodo M., 2006, Friction Stir Welds (FSW) of Alumunium Alloy AW 6082 T6, Journals of Achievement in Materials and Manufakturing Engineering, Vol. 20, ISSUES. Anelis A., 2010, Pengaruh Feed Rate Terhadap Sifat Mekanik Pengelasan Friction Stir Welding Alumunium 6110, Skripsi Teknik Mesin, IST AKPRIND, Yogyakarta. ASM Handbook, Volume 2., 1990, Properties And Selection : Non Ferrous Alloys And Special Purpose Materials, published by ASM International, Materials Park. ASM Handbook, Volume 8., 1985, Mechanical Testing, published by ASM International, Materials Park. ASTM. D 790 02 Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating material. Philadelphia, PA : American Society for Testing and Materials. George E. Dieter., 1993, Metalurgi Mekanik, Erlangga, Jakarta. M. Di Pola., 1998, Mechanical And Microstructural Characterisation Of An Aluminum Friction Stir-Welded Butt Joint, Metallurgical Science And Technology. Okumura T. & Wiryosumarto H., 1996, Teknologi Pengelasan Logam, Pradnya Pramita, Jakarta. Shiroku S. & Surdia T., 1984, Pengetahuan Bahan Teknik, Pradnya Paramita, Jakarta.