iii
MOTTO Kami dengar, dan kami ta at. (Q.S. An Nuur : 51) Cukuplah Allah sebagai penolong, dan Allah sebaik-baik pelindung. (Q.S. Ali Imran : 173) Tunduk kala mendaki, tegak kala menuruni. (timbulgalih) Bukanlah kelebihan jika tak sanggup melengkapi, dan bukanlah kekurangan jika selalu menemani. (timbulgalih) Terkadang hal baik mendekati, tak jarang hal buruk menimpa, dan itu semua bukanlah hal yang percuma dan sia-sia melainkan menyiratkan sebuah maksud di dalamnya. (timbulgalih) iv
PERSEMBAHAN Dengan segala kerendahan hati seraya mengucapkan syukur kehadirat Illahi, kupersembahkan tulisan ini kepada : 1. Allah SWT, pemilik segala keagungan, kemuliaan, kekuatan dan keperkasaan. Segala yang kualami adalah kehendak-mu, semua yang kuhadapi adalah kemauan-mu, segala puji hanya bagi-mu, ya Allah, pengatur alam semesta, tempat bergantung segala sesuatu, tempatku memohon pertolongan. 2. Junjungan Nabi besar Muhammad SAW, Manusia terbaik di muka bumi, uswatunhasanah, penyempurna akhlak, shollawat serta salam semoga selalu tercurah padanya, keluarga, sahabat dan pengikutnya yang istiqomah sampai akhir zaman. 3. Kasih sayang dan cinta yang tak pernah putus dari Bapak Bani Musapangat, Ibu Wakhidah, serta kakak-kakak tercinta, Wihdan Hidayat, Wahyu Hidayati, dan Hari suprayogi. Kasih sayang kalian tak akan pernah kulupakan sepanjang hidupku. 4. Pak D. Danardono dan Pak Bambang Kusharjanta yang selalu cerah ceria dan selalu membawa aura ketenangan dan tak pernah lelah untuk membimbing tugas akhir saya. 5. Seluruh dosen, karyawan, dan mahasiswa Teknik Mesin UNS. v
SIMULASI KECEPATAN DAN POLA ALIRAN MATERIAL PADA FRICTION STIR WELDING DENGAN TOOL PIN SILINDER DAN TIRUS DENGAN PEMODELAN 3 DIMENSI MENGGUNAKAN ANSYS CFX Galih Timbul Raharjo Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia E-mail : timbulgalih@gmail.com Abstrak Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kecepatan dan pola aliran yang dihasilkan pada friction stir welding akibat pengaruh perbedaan profil pin dengan metode elemen hingga menggunakan metode pemodelan ANSYS CFX nilon 6. Profil pin yang digunakan adalah pin silinder dan tirus serta dianalisa dalam keadaan steady state. Sumber panas pada tool shoulder dan tool pin diatur sebesar 80% dari titik leleh nilon 6. Hasil pemodelan menunjukkan bahwa kecepatan aliran pada sisi retreat lebih tinggi dibanding sisi advance pada posisi awal dan tengah proses friction stir welding dengan pin silinder dan tirus, sedangkan pada posisi akhir proses friction stir welding dengan pin silinder dan tirus, laju kecepatan aliran lebih tinggi pada sisi advance dibanding sisi retreat. Secara keseluruhan, proses friction stir welding dengan pin silinder dan tirus kecepatan aliran di depan pin lebih tinggi dibanding di belakang pin. Pola aliran yang dihasilkan pada friction stir welding dengan pin tirus lebih teratur dibandingkan pada pin silinder. Kata kunci : Friction Stir Welding; Nilon 6; Kecepatan Aliran; Pola Aliran; ANSYS CFX vi
VELOCITY AND FLOW PATTERN SIMULATION OF MATERIAL IN FRICTION STIR WELDING WITH CYLINDRICAL AND TAPPERED PIN TOOLS USING 3 DIMENSIONAL ANSYS CFX MODELING Galih Timbul Raharjo Mechanical Engineering Department Engineering Faculty Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia E-mail: timbulgalih@gmail.com Abstract The purpose of this study was to investigate the velocity and flow pattern of nylon 6 material, generated in the friction stir welding process due to the influence of pin profile using ANSYS CFX 3D modelling. Pin profile used were cylindrical and tapered, which analyzed in steady state condition. The heat source of the tool shoulder and pin tool was set at 80% of the nylon 6 material melting point. The modeling results indicates, that the material flow rate at the retreat side was higher than the advance side in early and middle position of the friction stir welding process whether using cylindrical and tapered pin. While in the final position of the process, the advance side had higher flow rate than the retreat side. Overall, the friction stir welding process using cylindrical and tapered pin has higher flow rate in front of the pin than the back side of the pin. The result flow on the tapered pin was more well-ordered than the cylindrical pin. Keywords: Friction Stir Welding; Nilon 6; Flow Velocity; Flow Pattern; ANSYS CFX. vii
KATA PENGANTAR Puji syukur alhamdulillah penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi Simulasi Kecepatan dan Pola Aliran Material pada Friction Stir Welding dengan Tool Pin Silinder dan Tirus dengan Pemodelan 3 Dimensi menggunakan ANSYS CFX ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam Penyelesaian Skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada : 1. Bapak Bani Musapangat, Ibu Wakhidah, dan seluruh keluarga yang telah memberikan do a restu, motivasi, dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir. 2. Bapak D. Danardono, ST., MT., Ph.D., selaku Pembimbing I atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. 3. Bapak Bambang Kusharjanta ST., MT., selaku Pembimbing II yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis. 4. Bapak Heru Sukanto, ST., MT. dan bapak Dr. Triyono ST., MT., selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun. 5. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST., MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta. 6. Bapak Dr. Nurul Muhayat. ST., MT., selaku koordinator Tugas Akhir 7. Seluruh Dosen serta Staf di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1. 8. Gesa Sukmawan ST., sebagai rekan dalam perjuangan sedari awal hingga penyelesaian Tugas Akhir. viii
9. Teman-teman Laboratorium Material, Zuhri, Mamin, Ipul, Irul, Mas Sibhe, Daus, Dion, Deni, Bayu, Ian, Erwin, Mas Nyamz, Mas Cahyo, Mas Radian, Mas Sibhe, Mas Roy, Mas Maruto, dkk, sebagai kawan yang tidak pernah henti mensupport dan menemani penulis dalam penyusunan Tugas Akhir. 10. Keluarga besar Masjid Nur Hasanah, Tino, Aris, Rahmat, Pak Bangun, Ibu Bangun, Pak Basoka, Ibu Suparmi, dll, sebagai keluarga kedua penulis selama penulisan Tugas Akhir. 11. Teman-teman teknik mesin COSINUS 2008, kita menang kawan, beserta kakak dan adik angkatan teknik mesin UNS. 12. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya. Surakarta, Februari 2015 Penulis ix
DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul... i Halaman Surat Penugasan... ii Halaman Pengesahan... iii Halaman Motto... iv Halaman Persembahan... v Abstrak... vi Kata Pengantar... viii Daftar Isi... x Daftar Tabel... xi Daftar Gambar... xii BAB I BAB II PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah... 1 1.2. Perumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah... 2 1.4. Tujuan... 3 1.5. Manfa at... 3 1.6. Sistematika Penulisan... 3 LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka... 5 2.2. Dasar Teori... 7 2.2.1. Solid state welding... 8 2.2.2. Friction stir welding... 8 2.2.3. Istilah dalam FSW... 10 2.2.4. Computational fluid dynamics... 11 BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Garis besar penelitian... 17 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Validasi pemodelan... 20 4.2. Simulasi FSW Nilon 6... 24 4.2.1. FSW pin silinder... 27 4.2.2. FSW pin tirus... 43 4.3. Perbandingan hasil simulasi FSW pin silinder dan pin tirus... 58 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan... 62 5.2. Saran... 62 DAFTAR PUSTAKA... 63 x
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 4.1. Properties material aluminium 5083... 20 Tabel 4.2. Hasil pengukuran temperatur eksperimen dan simulasi... 22 Tabel 4.3. Perhitungan Error Validasi Pemodelan AA5083... 24 Tabel 4.4. Material properties nylon 6... 25 Tabel 4.5. Material properties steel... 26 Tabel 4.6. Kecepatan posisi awal FSW pin silinder... 29 Tabel 4.7. Temperatur posisi awal FSW pin silinder... 30 Tabel 4.8. Kecepatan posisi tengah FSW pin silinder... 34 Tabel 4.9. Temperatur posisi tengah FSW pin silinder... 35 Tabel 4.10. Kecepatan posisi akhir FSW pin silinder... 39 Tabel 4.11. Temperatur posisi akhir FSW pin silinder... 40 Tabel 4.12. Kecepatan posisi awal FSW pin tirus... 44 Tabel 4.13. Temperatur posisi awal FSW pin tirus... 45 Tabel 4.14. Kecepatan posisi tengah FSW pin tirus... 49 Tabel 4.15. Temperatur posisi tengah FSW pin tirus... 50 Tabel 4.16. Kecepatan posisi akhir FSW pin tirus... 54 Tabel 4.17. Temperatur posisi akhir FSW pin tirus... 55 xi
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Grafik hubungan temperatur dengan kecepatan (a) kecepatan tangensial, (b) kecepatan transverse... 6 Gambar 2.2. Proses manufaktur dan penyambungan... 7 Gambar 2.3. Skema FSW... 8 Gambar 2.4. Proses pengelasan FSW... 10 Gambar 2.5. Bentuk meshing... 15 Gambar 2.6. Skala kualitas skewness meshing... 15 Gambar 2.7. Meshing dengan pengaturan edge sizing... 16 Gambar 3.1. Diagram alir penelitian... 17 Gambar 4.1. Desain dan geometri tool FSW dalam mm... 20 Gambar 4.2. Model FSW Alumunium 5083 dengan ANSYS CFX... 21 Gambar 4.3. Grafik perbandingan temperatur hasil eksperimen dan Gambar 4.4. simulasi sisi advance... 22 Grafik perbandingan temperatur hasil eksperimen dan simulasi sisi retreat... 23 Gambar 4.5. Desain dan geometri tool dalam mm (a) silinder, (b) tirus... 25 Gambar 4.6. Pemodelan FSW Nylon 6 dengan ANSYS CFX... 26 Gambar 4.7. Meshing pemodelan FSW dengan ANSYS CFX... 27 Gambar 4.8. Posisi line pengukuran data kecepatan hasil simulasi... 27 Gambar 4.9. Vektor kecepatan posisi awal FSW pin silinder... 28 Gambar 4.10. Vektor kecepatan posisi awal FSW 5 mm di depan pin silinder tampak depan... 28 Gambar 4.11. Vektor kecepatan posisi awal FSW di pin silinder tampak depan... 28 Gambar 4.12. Vektor kecepatan posisi awal FSW 5 mm di belakang pin silinder tampak depan... 29 Gambar 4.13. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi awal FSW 5 mm di depan pin silinder... 31 Gambar 4.14. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi awal FSW 5 mm di belakang pin silinder... 32 Gambar 4.15. Vektor kecepatan posisi tengah FSW pin silinder... 33 Gambar 4.16. Vektor kecepatan posisi tengah FSW 5 mm di depan pin silinder tampak depan... 33 Gambar 4.17. Vektor kecepatan posisi tengah FSW di pin silinder tampak depan... 33 Gambar 4.18. Vektor kecepatan posisi tengah FSW 5 mm di belakang pin silinder tampak depan... 34 Gambar 4.19. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi tengah FSW 5 mm di depan pin silinder... 36 Gambar 4.20. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi tengah FSW 5 mm di belakang pin silinder... 37 Gambar 4.21. Vektor kecepatan posisi akhir FSW pin silinder... 38 Gambar 4.22. Vektor kecepatan posisi akhir FSW 5 mm di depan pin silinder tampak depan... 38 xii
Gambar 4.23. Vektor kecepatan posisi akhir FSW di pin silinder tampak depan... 38 Gambar 4.24. Vektor kecepatan posisi akhir FSW 5 mm di belakang pin silinder tampak depan... 39 Gambar 4.25. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi akhir FSW 5 mm di depan pin silinder... 41 Gambar 4.26. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi akhir FSW 5 mm di belakang pin silinder... 42 Gambar 4.27. Vektor kecepatan posisi awal FSW pin tirus... 43 Gambar 4.28. Vektor kecepatan posisi awal FSW 5 mm di depan pin tirus tampak depan... 43 Gambar 4.29. Vektor kecepatan posisi awal FSW di pin tirus tampak depan... 43 Gambar 4.30. Vektor kecepatan posisi awal FSW 5 mm di belakang pin tirus tampak depan... 44 Gambar 4.31. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi awal FSW 5 mm di depan pin tirus... 46 Gambar 4.32. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi awal FSW 5 mm di belakang pin tirus... 47 Gambar 4.33. Vektor kecepatan posisi tengah FSW pin tirus... 48 Gambar 4.34. Vektor kecepatan posisi tengah FSW 5 mm di depan pin tirus tampak depan... 48 Gambar 4.35. Vektor kecepatan posisi tengah FSW di pin tirus tampak depan... 48 Gambar 4.36. Vektor kecepatan posisi tengah FSW 5 mm di belakang pin tirus tampak depan... 49 Gambar 4.37. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi tengah FSW 5 mm di depan pin tirus... 51 Gambar 4.38. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi tengah FSW 5 mm di belakang pin tirus... 52 Gambar 4.39. Vektor kecepatan posisi akhir FSW pin tirus... 53 Gambar 4.40. Vektor kecepatan posisi akhir FSW 5 mm di depan pin tirus tampak depan... 53 Gambar 4.41. Vektor kecepatan posisi akhir FSW di pin tirus tampak depan... 53 Gambar 4.42. Vektor kecepatan posisi akhir FSW 5 mm di belakang pin tirus tampak depan... 54 Gambar 4.43. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi akhir FSW 5 mm di depan pin tirus... 56 Gambar 4.44. Grafik laju vektor kecepatan aliran posisi akhir FSW 5 mm di belakang pin tirus... 57 Gambar 4.45. Pola aliran laju vektor kecepatan pin silinder... 59 Gambar 4.46. Pola aliran laju vektor kecepatan pin tirus... 59 Gambar 4.47 Penampang permukaan hasil lasan FSW (a) pin silinder dan (b) pin tirus... 60 Gambar 4.48 Foto Makro penampang hasil lasan FSW (a) pin silinder dan (b) pin tirus... 60 xiii
Gambar 4.48 Grafik perbandingan kekuatan tarik dan bending FSW pin silinder dan pin tirus... 61 xiv