ANALISA PENGARUH TEKANAN TEMPA TERHADAP STRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK BAJA ST 41 SEBAGAI DASAR PROSES MANUFAKTUR KOMPONEN PENGUNCI PINTU MOBIL BOX DENGAN LAS GESEK ( FRICTION WELDING ) Nur Husodo 1), Sri Bangun S. 2) Winarto 3), Denny MES. 4) Arino A 5) 1,2,3,4,5) Progdi D3, Jur. Teknik Mesin, FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember E-mail: nurhusodo21@gmail.com ; nurhusodo@me.its.ac.id Abstrak Las gesek (Friction welding) merupakan proses penyambungan logam dengan memanfaatkan energi panas yang diakibatkan karena adanya gesekan dari dua material yang akan disambung. Produk Pengunci pintu mobil box biasanya diproduksi dengan pengelasan SMAW berpeluang untuk dapat diganti dengan proses manufakturnya las gesek. Tujuan penelitian ini diharapkan dapat menjadi dasar pengoperasian las gesek untuk mewujudkan produk pengunci pintu mobil box. Pada penelitian ini, las gesek dioperasikan dengan kecepatan putaran 4125 rpm, tekanan gesek 7,33 kgf/cm 2, waktu gesek 45 detik dan dengan variasi tekanan tempa 36,56 ; 45,70; 55,04 kgf/cm 2, untuk membuat sampel uji dari bahan baja karbon St 41. Sampel uji yang dihasilkan akan diuji dengan uji metalografi dan sifat mekanik yaitu uji kekerasan dan uji puntir. Analisa dilakukan untuk mengetahui perubahan struktur mikro dan perubahan kekuatan torsi dan perubahan nilai kekerasan. Disimpulkan bahwa semakin besar tekanan tempa didapatkan nilai kekuatan torsi juga semakin meningkat. Nilai torsi rata2 yaitu 18,1 kgf.m. Salah satu hasil puntir dapat mencapai 19 kgf.m. Komponen pengunci pintu mobil box produk industri kecil nilainya 19 kgf.m. Oleh karena itu metode las gesek dimungkinkan dapat dipakai sebagai alternative pengganti proses produksi produk tersebut Kata kunci: las gesek, komponen pengunci pintu, tekanan tempa, waktu gesek,baja St41 Pendahuluan Las gesek merupakan metode penyambungan yang masih belum banyak diterapkan pada industri kecil dalam memproduksi produk berbahan logam. Padahal metode ini sangat berpotensi untuk diterapkan pada proses produksi. Metode Las gesek mempunyai banyak keunggulan dibandingkan dengan proses penyambungan lainnya antara lain waktu proses cepat, tidak memerlukan logam pengisi, panas yang terjadi tidak sampai logam mencair, panas yang dihasilkan pada seluruh permukaan yang bergesekan, mudah dalam proses pengoperasian juga dapat memanfaatkan mesin perkakas yang dimodifikasi menjadi las gesek. Komponen pengunci pintu mobil box merupakan salah satu dari komponen otomotif yang berpotensi diproduksi dengan las gesek. Gambar 1.1 Letak Komponen Pengunci Pintu Mobil Box Komponen pengunci pintu mobil box ini terdiri 2 bagian, bagian pertama yaitu bahan baja silindris pejal dan bagian kedua adalah plat baja. Selama ini diproses dengan las SMAW. Metode las gesek ( friction welding) adalah metode penyambungan dua buah material logam. Dalam metode ini panas dihasilkan dari perubahan energi mekanik kedalam energi panas pada bidang interface benda kerja karena adanya gesekan selama gerak putar dibawah tekanan ( gesekan). (Kalpakjian, 2001).. Penelitian pengoperasian las gesek dengan tekanan gesek telah dilakukan oleh ( Dwi Agus Santoso, 2011). Hasil uji puntir yang dapat dipakai sebagai acuan membuat produk front spring pin yang menggambarkan kekuatan sambungan diperoleh sebesar 16 Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti MET07-1
kgf.m. Penelitian dilanjutkan oleh (Tatkala Sanggra Bhakti, 2012), dengan melakukan proses pengoperasian las gesek logam baja St41 sebagai dasar pembuatan komponen front spring pin didapatkan nilai torsinya 17 kgf.m. Penelitian juga dilanjutkan oleh (Rendy Budi Hartanto, 2013), dengan melakukan pengoperasian las gesek logam baja St41 dengan plat baja karbon didapatkan bahwa dengan tekan gesek 9,13 kgf/cm 2 dan waktu gesek 55 detik dan tekanan tempa sebesar 63,98 kgf/cm 2 didapatkan nilai torsinya rata2 sebesar 20 kgf.m. Adanya struktur mikro yang sangat halus didaerah tengah (weld zone) yang menyebabkan terjadinya nilai kekerasan yang tinggi sesuai dengan Hall-Petch relation. Sehingga kekuatan pada daerah tengah akan lebih tinggi. (Akbari K.2008). Peneliti tentang aplikasi friction welding pada produk poros rotor pada kapal dilakukan oleh ( Ho Seung Jeong, 2010). Dengan mengevaluasi kekuatan tarik sambungan dan struktur mikro sambungan serta uji kekerasan,uji kelelahan dapat disimpulkan bahwa dihasilkan kekuatan sambungan yang sangat baik. Tujuannya untuk menganalisa kemungkinkan peluang untuk alih teknologi dari teknologi pengelasan SMAW ke teknologi las gesek. Penelitian ini akan dilakukan analisa pengaruh variasi kekuatan tempa terhadap perubahan struktur mikro dan sifat mekanik pada bahan baja St 41 yang nantinya diharapkan dapat sebagai dasar pegoperasian las gesek dalam memproduksi produk pengunci pintu mobil box. Ruang lingkupnya mengkaitkan perubahan sifat mekanik dan struktur mikro pada pengelasan gesek untuk dipakai sebagai dasar pengoperasian las gesek Studi Pustaka Metode las gesek ini, panas yang terjadi dipengaruhi oleh perubahan energi dari energi mekanik ke energi termal untuk membentuk lasan, tanpa mendapat panas dari sumber yang lain. Dalam gambar 2 ditunjukkan cara pengelasan dua poros. Tahapan proses adalah sebagai berikut : salah satu poros diputar tanpa bersentuhan dengan poros yang lain, dengan memutar pemegang (rotating chuck), selanjutnya poros satu sama lain disentuhkan sehingga timbul panas akibat gesekan, kemudian putaran dihentikan, poros diberi gaya tekan aksial, dan sambungan las terbentuk. Lima faktor yang mempengaruhi hasil pengelasan dengan metode las gesek yaitu kecepatan putaran, tekanan aksial (tekanan gesekan dan tekanan tempa), durasi pengelasan, propertis material, kondisi permukaan benda kerja. Gambar 2. Proses pengelasan denga metode las gesek (Spinler, 1994) Gambar 3. Pemilihan parameter dengan waktu Gambar 4. Daerah las (a) Pengelasan Fusi (b) untuk Berdasarkan ketiga fase dari bentuk las gesek kurva (Spinler, gesek, 1994) gerakan pada Non friction Fusi. (Navar, welding A., 2002) akan di bagi menjadi tiga fase yaitu: Fase 1 : fase gesekan awal (friction phase), Fase 2 : fase berhenti (stoping phase) dan Fase 3 : fase penempaan / Upset (forging phase) Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti MET07-2
Jika dibandingkan dengan metode las fusi maka hasil pengelasan dapat dilihat pada gambar 4. Metodologi Penelitian Tahapan penelitian ini dapat dilihat pada diagram alir pada gambar 5 Studi lapangan Studi literatur Persiapan sampel uji Persiapan las gesek Pemotongan sampel Uji Tekanan gesek : 7,33 kgf/cm 2, Durasi Waktu gesek : 45 detik Tekanan tempa : 36,56 ; 45,70 ; 55,04 kgf/cm 2 tidak Siap uji ya Pembuatan sampel uji Uji Metallografi Uji Kekerasan Uji Puntir Analisa dan pembahasan Kesimpulan Gambar 5. Diagram alir percobaan Sampel Uji Sampel uji terbuat dari baja ST 41 dengan plat baja karbon. Bahan St41 berbentuk silindris pejal dengan diameter 15 mm yang disambung dengan plat baja karbon dengan panjang sisi 40 mm dan tebalnya 10 mm Gambar 6. (a). Sampel uji baja silindris St 41 dengan plat baja karbon (b) mesin las gesek yang digunakan proses penyambungan dua buah material berbeda bahan dan bentuk, dengan proses operasional putaran poros utama 4125 rpm, tekanan gesek 7,33kgf/cm. 2, waktu gesek 45 detik, dan tekanan tempa bervariasi antara lain 36,56 kgf/cm. 2, 45,70 kgf/cm. 2, 55,04 kgf/cm. 2, (c) foto proses penyambungan dengan las gesek Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti MET07-3
Analisa dan Pembahasan Hasil Penelitian Hasil Uji Metallografi Hasil uji metalorgrafi didapatkan bahwa struktur mikro logam pada gambar 7,8,9 Logam Induk Logam HAZ Logam Las Gambar 7. Struktur mikro pada logam induk, HAZ dan logam las pada baja St41 dan baja karbon yang disambung dengan las gesek dengan proses operasional putaran poros utama 4125 rpm, tekanan gesek 7,33kgf/cm. 2, waktu gesek 45 detik, dan tekanan tempa 36,56 kgf/cm. 2 Logam Induk Logam HAZ Logam las HAZ Gambar 8. Struktur mikro pada logam induk, HAZ dan logam las pada baja St41 dan baja karbon yang disambung dengan las gesek dengan proses operasional putaran poros utama 4125 rpm, tekanan gesek 7,33 kgf/cm. 2, waktu gesek 45 detik, dan tekanan tempa 45,70 kgf/cm. 2 Logam Induk Logam HAZ Logam las HAZ LAS Gambar 9. Struktur mikro pada logam induk, HAZ dan logam las pada baja St41 dan baja karbon yang disambung dengan las gesek dengan proses operasional putaran poros utama 4125 rpm, tekanan gesek 7,33 kgf/cm. 2, waktu gesek 45 detik, dan tekanan tempa 55,04 kgf/cm. 2 Perbedaan besar butir Kristal ini terjadi adanya panas karena gesekan dan adanya tekanan tempa. Terlihat bahwa semakin besar tekanan tempa terlihat struktur mikro dengan butir Kristal yang semakin kecil. Adanya tekanan tempa logam yang bergesekan akan meningkat temperaturnya dan mengalami deformasi plastis. Semakin tinggi tekanan tempa akan menghasilkan up set semakin besar dan panjang benda uji semakin pendek. Hasil Uji Kekerasan Hasil uji kekerasan dapat dilihat pada table dibawah ini Tabel 1. Hasil uji kekerasan Gesekan Temp Tempa Titik Identasi (HRB) rata2 No Tekanan Gesek Waktu Tekanan Tempa Logam (ºC) HAZ LAS kgf/cm² Gesek (detik) kgf/cm² Induk 1 570 36,56 68 57,5 53 2 7,33 45 583 45,70 68 61 60 3 592 55,04 68 65 63 Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti MET07-4
Gambar 10. Grafik hasil uji kekerasan dengan parameter waktu gesek 45 detik dan tekanan tempa 36,56kgf/cm 2 ; 45,70kgf/cm 2 ; 55,04kgf/cm 2 Gambar 11. Grafik hasil uji puntir rata-rata dengan parameter waktu gesek 45 detik dan tekanan tempa 36,56kgf/cm 2 ; 45,70kgf/cm 2 ; 55,04kgf/cm 2. Semakin tinggi tekanan tempa kekerasan logam induk tidak terpengaruhi, namun daerah HAZ dan logam las terlihat semakin tinggi. Hasil Uji Puntir Hasil uji puntir dapat dilihat pada table dibawah ini Tabel 2 Hasil Pengujian Puntir Friction Forging Torsi No Tekanan gesek Waktu Tekanan Tempa Temp ( C) (kgf.m) kgf/cm 2 gesek (detik) kgf/cm 2 1 576 13,5 2 36,56 572 13 3 569 11 4 580 15,1 5 7,33 45 45,70 586 17,2 6 583 16,5 7 591 17,4 8 55,04 595 19 9 594 17,9 Rata-rata 12,5 16,26 18,1 Semakin tinggi tekanan tempa terlihat bahwa nilai torsi semakin tinggi. Adanya kenaikan hasil nilai torsi ini memperlihatkan bahwa semakin tingginya tekanan tempa, deformasi yang terjadi semakin tinggi juga, juga terlihat semakin pendeknya panjang sampel uji. Proses las gesek merupakan kombinasi panas dan tekanan. Panas yang terjadi relative sama karena durasi waktu gesek sama yaitu 45 detik. Namun hasil pengukuran terlihat adanya perbedaan temperatur. Perbedaan ini karena banyak factor yang mempengaruhi. Pembahasan Secara prinsip ada tiga faktor yang mampu merubah struktur mikro logam. Pada penerapan las gesek dalam proses penyambungan dua buah logam yang berperan besar adalah tekanan tempa. Dengan adanya tekanan tempa maka akan terjadi deformasi plastis. Tekanan tempa ini pertama tama memungkinkan adanya udara diantara kedua permukaan yang bergesekan akan keluar. Semakin besar tekanan tempa akan menimbulkan deformasi plastis seiring terbentuknya up set. Up set semakin besar akan berpengaruh terhadap menurunnya ukuran panjang sampel uji. Semakin besar up set akan semakin kuat sambungan dua buah logam yang disambung dengan metode las gesek. Kekuatan sambungan ini telah diperlihatkan melalui uji puntir. Semakin besar tekanan tempa hasil uji puntir semakin besar. Kekuatan sambungan ini dimungkinkan karena struktur mikro kedua benda kerja yang disambung telah mengalami diffusi yang baik. Kekuatan sambungan juga bisa dilakukan uji tarik, namun pada penelitian ini kekuatan tarik tidak dilakukan mengingat bentuk benda kerjanya. Jika dikaitkan dengan uji kekerasan maka terlihat bahwa kekerasan pada daerah yang telah mengalami banyak Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti MET07-5
deformasi plastis semakin keras. Semakin besar tekanan tempa akan berdampak semakin besar deformasi plastis, maka nilai kekerasan terlihat sesuai. Deformasi plastis terbesar pada daerah las, kemudian HAZ sedangkan logam induk tidak terdapat diformasi plastis. Jika dibandingkan dengan sambungan las SMAW maka tentunya akan sesuai dengan teori dan ini dapat dijelaskan sesuai penjelasan pada pada gambar 4. Mengingat kelebihan dari las gesek dan hasil struktur mikro dan sifat mekanik yang kompetitif terhadap hasil las SMAW maka las gesek berpotensi untuk dapat menggantikan metode las fusi. Pencapaian kekuatan uji puntir mampu menebus angka hasil puntir rata2 sebesar 18,1 kgf.m bahkan satu angka hasilnya 19 kgf.m. Sedangkan SOP pada metode las gesek akan dapat diacu sesuai dengan gambar 3. Kesimpulan Dari penelitian ini disimpulkan bahwa : 1. Metode las gesek berpotensi untuk dapat dijadikan alternatif proses manufaktur komponen pengait pada mobil box. 2. Tekanan tempa sebesar 55,04 kgf/cm 2 dapat direkomendasikan untuk proses operasional las gesek dengan durasi waktu 45 detik dan tekanan gesek 7,33 kgf/cm 2 3. Nilai tertinggi kekuatan puntir sebesar 18,1 kgf.m. Ucapan Terima kasih Terima kasih pada penyelenggara program LPPM Dikti yang telah memberikan kepercayaan dalam program IbM tahun 2013 dengan topik IbM kelompok Usaha komponen otomotif, juga mahasiswa Rizki Agung Setiawan yang ikut bersinergi dalam program ini yang dikaitkan dengan tugas akhir D3 Teknik Mesin FTI ITS. Daftar pustaka Akbari mousavi and Rahbar kelishami, 2008, Experimental and Numerical Analysis of the Friction Welding Process for the 4340 Steel and Mild Steel Combinations, Welding Research, volume 87, July 2008, p.178-186. Dwi Agus santoso, 2011, Analisa pegaruh tekanan tempa terhadap struktur mikro dan sifat mekanik baja St41 dengan menggunakan metode direct-drive friction welding sebagai alternative pembuatan front spring pin T-120,Progdi D3-Mesin, ITS, Surabaya. Ho Seung Jeong dkk., 2010, Inertia friction welding process analysis and mechanical propeirties evaluation of large rotor shaft in marine turbo charger, International journal of precision engineering and manufacturing volume 11, no.1, page 83-88. Kalpakjian, Serope. 2001, Manufacturing Processes for Engineering Materials, Fourth edition. Pearson Prentice Hall International. Navar, A., 2002, The Steel Handbook, McGraw Hill, New York. Rendy Budi Hartanto, 2013, Analisa pengaruh waktu gesekan terhadap sifat mekanik dan struktur mikro pada produk spring pin Material St41 dengan metode direct-drive friction welding, Progdi D3-Mesin, ITS, 2013 Spinler, 1994, What Industry Needs to know about Friction Welding, Welding Journal, march,p. 37 42. Tatkala Sanggra Bhakti, 2012, Analisa pengaruh waktu gesek terhadap struktur mikro dan sifat mekanik Baja St41 sebagai alternative pengganti proses produksi produk Front spring pin dengan metode direct drive friction welding, Progdi D3-Mesin, ITS, Surabaya. Proceedings Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti MET07-6