NASKAH PUBLIKASI PENGARUH VARIASI ARUS TERHADAP STRUKTUR MIKRO, KEKERASAN DAN KEKUATAN SAMBUNGAN PADA PROSES PENGELASAN ALUMUNIUM DENGAN METODE SMAW Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan Teknik Mesin Oleh: NAZAR ARIF DERMAWAN D 200 080 057 JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2016
i
ii
iii
PENGARUH VARIASI ARUS TERHADAP STRUKTUR MIKRO, KEKERASAN DAN KEKUATAN SAMBUNGAN PADA PROSES PENGELASAN ALUMUNIUM DENGAN METODE SMAW Abstraksi Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui komposisi kimia, struktur mikro, nilai kekerasan dan uji tarik pada logam yang digunakan pada pengelasan SMAW dan juga untuk mengetahui pengaruh arus yang digunakan terhadap kualitas hasil pengelasan. Pada penelitian ini di teliti kekuatan sambungan las pada Alumunium seri 6015 dengan variasi kuat arus listrik pada proses las Shielded Metal Arc Welding (SMAW). Spesimen uji tarik yang digunkan menggunakan standar ASTM E8, uji struktur mikro menggunakan standar ASTM E3 dan uji kekerasan menggunakan standar ASTM E92. Variasi kuat arus yang dipakai adalah 70 A, 75 A, 80 A, 85 A dan 90 A, dengan tegangan 20-30 V dan kecepatan 14-20 inchi/menit Hasil penelitian menunjukkan bahwa; kuat arus listrik mempunyai pengaruh yang nyata terhadap struktur mikro, kekerasan dan kekuatan tarik sambungan las alumunium seri 6015 dengan proses las SMAW. Kata kunci: SMAW, Kekuatan sambungan las Abstract This study aims to determine the chemical composition, microstructure, hardness and tensile tests on metals used in SMAW welding and also to determine the effect of current used on the quality of the weld. In this study researched the strength of the weld joint in the 6015 series aluminum with strong variations in electric current in the welding process Shielded Metal Arc Welding (SMAW). Tensile test specimens all make use of standard ASTM E8, micro structural test using ASTM standard E3 and hardness tests using standard ASTM E92. Strong variations of current used is 70 A, 75 A, 80 A, 85 A and 90 A, with voltage of 20-30 V and a speed of 14-20 inches / min The results showed that; strong electric current has a significant effect on microstructure, hardness and tensile strength 6015 series aluminum welding connection with SMAW welding process. Keywords: SMAW, Strength of welded joints 1
PENDAHULUAN Latar Belakang Keterbatasan sumber energi bahan bakar minyak (BBM) dewasa ini telah memacu perkembangan teknologi otomotif yang mengarah pada peningkatan efisiensi penggunaan BBM. Penggantian bahan pada komponen kendaraan bermotor baik mesin maupun konstruksinya dengan alumnium atau paduan aluminium dapat mengurangi berat kendaraan sehingga dapat menurunkan konsumsi penggunaan BBM. Dengan demikian, perkembangan proses pengelasan untuk bahan aluminium menjadi sangat penting. Perumusan Masalah Berdasarkan uraian di atas maka terdapat beberapa masalah, yaitu: 1. Bagaimana pengaruh arus listrik yang dialirkan mesin las pada struktur mikro, sifat fisik dan mekanik produk pengelasan alumunium paduan. 2. Bagaimana perbandingan antara hasil pengelasan dengan arus 70 A 90 A yang dilakukan dengan teknik SMAW (Shielded Metal Arc Welding). Batasan Masalah Dalam penelitian ini akan di fokuskan pada proses pengelasan dengan bahan aluminium paduan dengan lima variasi arus yaitu 70 A, 75 A, 80 A, 85 A, 90 A. Sedang struktur mikro diamati pada daerah weld metal, Heat affected zone (HAZ) dan logam induk. Sifat fisik yang diteliti yaitu kekerasan pada ketiga daerah tersebut, sedang sifat mekanik berupa kekuatan tarik yang dilakukan sampai sambungan mengalami patah. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian tentang sambungan las ini adalah : 1. Untuk mengetahui pengaruh arus listrik terhadap struktur mikro, kekerasan dan kekuatan tarik produk las Aluminium paduan. 2. Untuk mengetahui arus listrik yang optimum yang menghasilkan produk yang terbaik. 2
3. Untuk memperoleh hasil yang terbaik yang dapat menjadi acuan dalam proses pengajaran pengelasan LANDASAN TEORI Las SMAW Shielded Metal Arc Welding (SMAW). umumnya disebut las listrik adalah salah satu cara menyambung logam dengan jalan menggunakan nyala busur listrik yang diarahkan ke permukaan logam yang akan disambung. Pada bagian yang terkena busur listrik tersebut akan mencair, demikian juga elektroda yang menghasilkan busur listrik akan mencair pada ujungnya dan merambat terus sampai habis. Logam cair dari elektroda dan dari sebagian benda yang akan disambung tercampur dan mengisi celah dari kedua logam yang akan disambung, kemudian membeku dan tersambunglah kedua logam tersebut. Elektroda Sesuai dengan jenis logam yang dilas, maka kawat las atau elektroda dapat dibedakan atas empat golongan, yaitu: Elektroda baja karbon (mild steel arc welding electrodes). Elektrode baja campuran (alloy steel arc welding electrodes), Elektrode bukan besi (nonferrous arc welding electrodes) Elektrode besi tuang (cast iron arc welding electrodes) Aluminium dan paduannya Aluminium dan paduan aluminium termasuk logam ringan yang mempunyai kekuatan tinggi, tahan terhadap karat dan merupakan konduktor listrik yang cukup baik. Logam ini dipakai secara luas dalam bidang kimia, listrik,bangunan, transportasi dan alat-alat penyimpanan. Uji Struktur Mikro Pengamatan struktur mikro adalah suatu pengujian untuk mengetahui susunan struktur logam pada suatu benda uji atau spesimen dengan perbesaran tertentu. Struktur mikro dan sifat paduannya dapat diamati dengan berbagai cara tergantung pada sifat yang dibutuhkan. Salah satu cara dalam mengamati struktur 3
suatu bahan yaitu dengan teknik metalographic (pengujian mikroskopik). Proses terjadinya perbedaan warna, besar butir, bentuk dan ukuran butir yang mendasari penentuan dari jenis dan sifat fasa pada hasil pengamatan foto mikro adalah diakibatkan adanya proses pengetsaan. Prinsip dari pengetsaan sebenarnya merupakan proses pengikisan mikro terkendali yang menghasilkan alur pada permukaan akibat crystal faceting yaitu orientasi kristal yang berbeda, akan terjadi reaksi kimia yang berbeda intensitasnya. Standar uji yang digunakan dalam pengujian ini adalah ASTM E3 (Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens). Pengujian Tarik Pengujian tarik merupakan jenis pengujian dengan merusak bahan uji, yaitu dengan pemberian beban tarik pada hasil pengelasan yang semakin lama semakin besar sehingga benda uji patah. Dari pengujian ini akan didapat tegangan tarik, tegangan patah dan tegangan lelah. Bahan yang diuji, dibentuk sesuai dengan standar yang digunakan (Wiryosumarto, 1996). F max Tegangan : (N/mm 2 ) (1) A 0 L L0 Regangan : x 100% (2) L 0 Modulus Elastisitas : E Mpa (3) Di mana : : Besarnya tegangan (N/ mm 2 ) F max : Beban atau gaya yang di berikan (Newton) A 0 : Luas mula-mula dari penampang batang uji (mm 2 ) : Regangan (%) L : Panjang batang uji yang diberikan pembebanan (mm) L 0 E : Panjang batang uji mula-mula atau sebelum pembebanan (mm) : Elastisitas (Mpa) Untuk dapat mengetahui nilai-nilai yang dapat diukur pada penilitian ini maka diperlukan suatu standar untuk pembuatan batang uji tarik. Standar yang 4
digunakanselain sebagai acuan pembuatan batang uji tarik digunakan pula untuk menetapkan cara mengukur keterangan-keterangan yang diperlukan. Standar pembuatan batang uji tarik untuk penelitian ini adalah ASTM E8. Kekerasan Pengujian kekerasan mempunyai tujuan untuk mengetahui tingkat kekerasan suatu material pada daerah tertentu pada bahan uji. Lebih spesifik lagi, tujun dari pengujian ini adalah untuk mengetahui tingkat kekerasan logam pada daerah logam las, logam HAZ, dan logam induk. Apabila ketiga daerah logam uji tersebut telah diketahui besarnya maka dapat diperkirakan berapa tingkat penurunan kekuatan bahan tersebut. Beberapa cara pengujian kekerasan menggunakan indentor atau lekukan yang berbeda bentuk dan beberapa penerapan pada material saat ini telah dikembangkan. Metode- metode yang digunakan itu diantaranya adalah pengujian Brinell, Rockwell, Vickers. Penelitian ini menggunakan pengujian kekerasan Vickers microhardness dengan standar yang digunakan ASTM E92. HVN (Hardness Vickers Number) dapat ditentukan dari persamaan seperti di bawah ini : HVN = Di mana : 1,854xP 2 d 1,845xP d1 d 2 2 HVN : Hardness Vickers Number P d : Beban yang diterapkan (gf) : Diagonal rata-rata (4) 5
METODOLOGI PENELITIAN Diagram Alir Penelitian Mulai Studi Pustaka dan Studi Lapangan Persiapan Bahan dan Alat Penelitian Pemotongan Material ProsesPengelasan SMAW Arus 70 A Arus 70 A Arus 80 A Arus 85 A Arus 90 A Pengerjaan Lanjutan Spesimen Ujikekerasan E 92 Uji Struktur Mikro ASTM E 3 Uji Tarik ASTM E8 UjiKomposisi Kimia ASTM E1257 Hasil Pengujian Analisa dan Pembahasan Kesimpulan Selesai 6
Alat dan Bahan Alat Gambar 1. Mesin Las SMAW (Lab. Inlastek 2014) Gambar 2. Alat Uji tarik (Lab. Material UNS, 214) Gambar 3. Alat Uji Struktur Mikro (Lab. Material UNS, 214) 7
Gambar 4. Alat uji kekerasan (Vikers Mikrohardness) (Lab. Material UNS, 214) Bahan 1. Aluminium paduan Gambar 5. Aluminium paduan Logam yang digunakan adalah Aluminium seri 6015 dengan komposisi: Al = 98,79%, Si = 0,166%, Fe = 0,354%, Mg = <0,0500 % Mn = <0,0200 2. Elektrode yang digunakan jenis ER 5356 dengan komposisi: Mn = 0,05%, Zn = 0,1%, Si = 1,0%Si + Fe, Cu = 0,05-0,20%. 3. Gas pelindung pengelasan adalah Argon. Spesimen Spesimen uji struktur mikro dan kekerasan. Gambar 6. Spesimen uji struktur mikro dan kekerasan. 8
Specimen uji tarik 50 60 50 5 50 12 20 R 15 Gambar 7. Spesimen uji tarik. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pengujian Struktur Mikro Hasih uji struktur mikro pada logam induk. Si α-al Logam induk Gambar 8. Uji struktur mikro pada logam induk. Struktur mikro daerah logam induk menunjukkan tidak adanya perbedaan yang terjadi baik pada metode las dengan arus 70-90 Ampere. Hal ini dapat terjadi karena daerah logam induk tidak terkena proses pemanasan selama proses pengelasan. Struktur mikro pada daerah ini berupa butir halus seperti. Butir halus pada logam induk menyebabkan kekerasan. 9
Si α-al Si α-al HAZ LAS Gambar 9. Uji struktur mikro pada Haz dan las pada arus 70 Ampere. Si α-al Si α-al HAZ LAS Gambar 10. Uji struktur mikro pada Haz dan las pada arus 75 Ampere. Si α-al Si α-al HAZ LAS Gambar 11. Uji struktur mikro pada Haz dan las pada arus 80 Ampere. 10
Si α-al Si α-al HAZ LAS Gambar 12. Uji struktur mikro pada Haz dan las pada arus 85 Ampere. Si α-al Si α-al HAZ LAS Gambar 13. Uji struktur mikro pada Haz dan las pada arus 90 Ampere. Struktur mikro daerah HAZ menunjukkan terjadinya pertumbuhan butir pada saat pengelasan. Butir-butir pada daerah HAZ mengalami pengasaran dan berbentuk poligonal. Munculnya partikel halus pada daerah ini merupakan presipitat (Mg 2 Si) seperti terlihat pada Gambar 8-14. Struktur mikro daerah las secara umum berbentuk dendrit dengan warna gelap yang menunjukkan fasa silikon-magnesium (Mg 2 Si) dan atau silikon (Si), sedangkan warna terang merupakan fasa α aluminium seperti telah disampaikan oleh Chakrabarti dan Laughlin (2004). Di lihat dari struktur mikro arus pengelasan 90 Ampere panas yang dihasilkan semakin tinggi hal ini menyebabkan spesimen paling keras di dalam daerah las dan lebih jelas struktur (Mg 2 Si) nya.semakin besar arus yang digunakan maka semakin besar pula ukuran dendrit Tersebut 11
Nilai Kekerasan Rata-rata (VHN) Hasil Pengujian Kekerasan Data hasil uji kekerasan micro Vickers las aluminium paduan Tabel 1. Data hasil uji kekerasan micro Vickers las aluminium paduan. Posisi titik uji Arus 70 A Arus 75 A Arus 80 A Arus 85 A Arus 90 A Las 65.9 78.9 79.2 79.5 77.7 HAZ 32.3 33.0 33.4 32.3 33.2 Logam induk 32.6 32.88 32.56 33.7 33.88 Data hasil pengujian micro Vickers tersebut kemudian dibuat grafik dan histogram perbandingan harga kekerasan rata-rata. 90 80 70 65,9 78,96 79,2 79,5 77,74 60 50 40 30 32,6 32,88 32,58 33,7 32,32 33 33,48 32,28 33,88 33,22 Las HAZ Logam induk 20 10 0 Arus 70 A Arus 75 A Arus 80 A Arus 85 A Arus 90 A Gambar 14. Histogram perbandingan harga kekerasan micko Vickers berbahan Aluminium paduan pada material las. Dari hasil nilai kekerasan diatas dapat diamati bahwa untuk nilai kekerasan pada logam induk cenderung sama. Seperti yang terlihat pada gambar 4.7. Pada logam induk tidak terjadi perubahan kekerasan karena logam induk tidak terkena pengaruh panas saat pengelasan berlangsung. Walaupun dari hasil pengujian terlihat harga kekerasan logam induk mengalami penurunan, tapi penurunan yang terjadi tidak signifikan. Nilai kekerasan tertinggi di daerah logam las sebesar 79,5 VHN terjadi pada arus 85 Ampere. nilai kekerasan tertinggi pada daerah HAZ adalah sebesar 33,4 VHN terjadi pada arus 80 ampere 12
Tegangan (N/mm²) Pengujian Tarik dengan Stadar ASTM E8M Hasil Pengujian Tarik Dari hasil penelitian dan perhitungan, perbandingan dari hasil analisa dan pengujian tarik,dapat dilihat pada tabel dan nilai regangan tegangan yang di ambil adalah nilai maksimal. Diambil dari persamaan sebelumnya. F max Tegangan : (N/mm 2 ) A L L0 Regangan : x 100% L Modulus Elastisitas : E 0 0 Mpa Tabel 2. Data hasil uji tarik las alumunium paduan Hasil rata-rata 70A 75A 80A 85A 90A Tegangan ( N/mm 2 ) 105.19 110.28 113.134 115.88 120.67 Regangan (%) 8.3 7.3 3.3 4.3 3.8 Elastisitas (Mpa) 10607 11500 11512 12652 17467 hasil pengujian tarik tersebut kemudian dibuat grafik dan histogram perbandingan reganga tegangan rata-rata. 125 120 115 110 105 100 95 120,67 115,88 113,134 110,28 105,19 70 75 80 85 90 Arus (Ampere) Gambar 15. Histogram Tegangan rata-rata hasil pengelasan 13
Modulus Elastisitas ( Mpa ) Regangan ( % ) 10,0 8,0 8,3 7,3 6,0 4,0 3,3 4,3 3,8 2,0 0,0 70 75 80 85 90 arus (Ampere) Gambar 16. Histogram Regangan rata-rata hasil pengelasan 20000 15000 10000 5000 0 17467 12652 106071150011512 70 75 80 85 90 Arus (Ampere) Gambar 17. Histogram modulus Elastisitas rata-rata hasil pengelasan Dilihat dari tabel 2 hasil dari pengelasan arus 70 ampere mempunyai tegangan tarik rata-rata 105.19 N/mm 2, regangan tarik rata-rata 8,3 % dan modulus elastisitas 10607 Mpa. Hasil dari pengelasan arus arus 75 ampere mempunyai tegangan tarik rata-rata 110,28 N/mm 2, regangan tarik rata-rata 7,3 % dan modulus elastisitas 11500 Mpa. Hasil dari pengelasan arus arus 80 ampere mempunyai tegangan tarik rata-rata 113,134 N/mm 2, regangan tarik rata-rata 3,3 % dan modulus elastisitas 11512 Mpa. Hasil dari pengelasan arus arus 85 ampere mempunyai tegangan tarik rata-rata 115,88 N/mm 2, regangan tarik rata-rata 4,3 % dan modulus elastisitas 12652 Mpa. Dan hasil dari pengelasan arus 90 ampere mempunyai tegangan tarik rata-rata 120,67 N/mm 2, regangan tarik rata-rata 3,8 % dan modulus elastisitas 17467 Mpa. Dari data pengujian tarik arus pengelasan yang memiliki tegangan tarik paling tinggi adalah arus 90 ampere yaitu 120,67 N/mm 2 hal ini dikarenakan pada proses pengelasan menerima panas lebih tinggi. 14
Kesimpulan 1. Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan didapatkan komposisi kimia aluminium adalah Al (98.79 %), Si (0.166 %), Fe (0.354 %), Cu (0.170 %), Mn (0.0200 %), Mg (0.0500 %), Cr (0.0150 %), Ni (0.0200 %), Zn (0.297 %), Sn (0.0500 %), Ti (0.249 %). Maka dapat disimpulkan bahwa jenis aluminium yang digunakan adalah paduan Al-Mg-Si. 2. Berdasarkan hasil yang didapat dari pengujian struktur mikro proses pengelasan akan mempengaruhi terbentuknya struktur mikro logam baru.pada arus pengelasan 90 ampere, jumlah butiran pada daerah lasan lebih besar dan tersebar merata di banding arus 70-80 ampere. Semakin besar arus yang digunakan maka semakin besar pula ukuran dendrit tersebut. 3. Berdasarkan hasil yang didapat dari pengujian kekerasan dengan variasi arus pada logam induk tidak terpengaruh. Sedang pada HAZ, semakin tinggi arus yang digunakan nilai kekerasannya cenderung mengalami penurunan, dan pada logam las, semakin besar arus yang digunakan nilai kekerasan cenderung naik lalu mengalami penurunan 4. Berdasarkan hasil yang didapat dari pengujian tarik, Kuat arus listrik mempunyai pengaruh yang nyata terhadap kekuatan tarik sambungan las aluminium seri 6015 dengan proses las SMAW. Kekuatan sambungan las tertinggi diperoleh pada pengelasan dengan menggunakan kuat arus 90 Ampere, 15
DAFTAR PUSTAKA Aji Lastono, 2015, Pengaruh Fariasi Arus Terhadap Struktur Mikro Kekerasan dankekuatan Sambungan Pada Proses Pengelasan Aluminium DenganMetode MIG, jurusan teknik mesin fakultas teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Haikal, 2014, Pengaruh tegangan listrik dan waktu pengelasan terhadap sifat fisik danmekanik sambungan las titik, jurusan teknik mesin fakultas teknik Universitas Sebelas Maret, Surakarta. Kusuma Angga Tutur, 2012, Studi metalografi hasil pengelasan titik (spot welding pengelasan dilingkungan udara dan lingkungan gas argon, jurusan teknik mesin fakultas teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. M.L. Lin and T.W. Eagar, 1983, Influence of Surface Depression And Convection On Arc Weld Pool Geometry dan Pressures Produced by Gas Tungsten Arcs, Ninien Sckolastika, dan Ponimin, 2011, Analisa pengaruh penggunaan variasi besaran arus las tig terhadap perubahan struktur mikro, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bandung. Sonawan H., dan Suratman R., Pengantar untuk Memahami Proses Pengelasan Logam, Cetakan Kedua, CV Alfabeta, 2006, Bandung. Widharto S., 2006, Petunjuk Kerja Las, Cetakan Keenam, PT Pradnya Paramita, Jakarta. Wiryosumarto, H., 2004, Teknologi Pengelasan Logam, PT. Pradya Paramita, Jakarta. Wiryosumarto, H., 2004, Teknologi Pengelasan Logam, PT. Pradya Paramita, Jakarta. 16