ANALISIS PENGARUH PENGELASAN ULANG ALUMINIUM 5083 DENGAN METODE GAS METAL ARC WELDING (GMAW) TERHADAP SIFAT MEKANIK, STRUKTUR MIKRO DAN KETAHANAN KOROSINYA Aryo Cahyo T 1, Budi Agung K, ST, M.Sc 2, Ir Rochman Rochiem, M.Sc 2 1 Mahasiswa jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS 2 Dosen jurusan Teknik Material dan Metalurgi FTI-ITS ABSTRAK Pengelasan ulang merupakan suatu metode untuk memperbaiki hasil lasan yang dianggap cacat dan beresiko menimbulkan kerusakan. Pada penelitian ini diteliti pengaruh pengelasan ulang aluminium 5083 menggunakan GMAW dan filler ER 5356 terhadap sifat mekanik, struktur mikro dan ketahanan korosi. Analisis dilakukan terhadap 5 buah spesimen yang mempunyai variasi jumlah pengelasan ulang yang berbeda. Setelah dilas, tiap spesimen diuji radiografi untuk dilihat apakah ada cacat. Kemudian dilakukan penggerindaan 2 layer atas dan dilakukan pengelasan ulang. Setelah itu tiap spesimen dipotong untuk pengujian tarik, kekerasan, struktur mikro dan korosi. Dari pengujian yang dilakukan, diperoleh bahwa semakin banyak pengelasan ulang, jumlah presipitat Mg 2 Si semakin banyak. Hal ini menyebabkan penurunan kekuatan tarik dan peningkatan angka kekerasan. Namun, dari pengujian korosi yang dilakukan didapat bahwa pengelasan ulang tidak berpengaruh terhadap ketahanan korosi Aluminium 5083. Kata kunci: Aluminium 5083, ER 5356, GMAW, presipitat, repair, radiografi. 1.PEDAHULUAN Logam memegang peranan yang sangat penting bagi perkembangan teknologi. Salah satu proses yang cukup penting dalam perkembangan teknologi ialah pengelasan. Kebutuhan akan pengelasan saat ini sangat tinggi oleh karena teknologi pengelasan itu sendiri yang semakin lama semakin berkembang. Penggunaan teknologi las biasanya dipakai dalam bidang konstruksi, bidang industri, otomotif, perkapalan, pesawat terbang, dan bidang lainnya. Dalam proses pengelasan yang terjadi di lapangan, lumrah terjadinya pengelasan ulang atau repair welding. Banyak faktor yang mempengaruhi terjadinya pengelasan ulang, faktor utama ialah ditemukannya cacat pada logam lasannya. Pengelasan ulang ini akan mempengaruhi beberapa hal seperti sifat mekanik, sifat fisik, komposisi, maupun struktur mikronya. Oleh karena itu, perlu dipelajari proses pengelasan ulang sehingga didapatkan hasil yang optimal untuk kebutuhan di dunia industri. Pengelasan pada aluminum merupakan salah satu teknologi pengelasan yang membutuhkan proses tertentu karena dalam prosesnya aluminium tidak boleh bereaksi dengan oksigen. Pengelasan yang biasa dilakukan pada aluminium adalah GMAW dan GTAW dengan gas pelindung Argon. Seri aluminium yang sering dipakai adalah seri 5xxx. Aplikasi pada pengelasan aluminium seri 5xxx adalah pada bidang perkapalan. Karena itu pengelasan aluminium, khususnya pengelasan ulang perlu dipelajari untuk mendapatkan kualitas yang terbaik dari pengelasan aluminium. 2. METODOLOGI PENELITIAN Untuk mencapai tujuan penelitian dengan baik, maka perlu dibuat perencanaan alur penelitian. Alur penelitian ditunjukkan dengan diagram alir penelitian berikut ini :
Start Preparasi spesimen Pengelasan GMAW 3 layer Radiografi Test Penggerindaan 2 layer tanpa cacat Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah Aluminium 5083 dengan dimensi 125 x 250 x 8 mm, sedangkan untuk pengelasan menggunakan filler ER 5356. Specimen berjumlah 5 dengan variasi jumlah pengelasan ulang. Pembuatan kampuh V dengan sebesar 60 0. Persiapan pengelasan dilakukan dengan membersihkan permukaan logam induk dimana spesimen disikat dengan sikat baja yang bersih sesaat sebelum di las. 150 mm 150 mm Proses Pengelasan Ulang GMAW 60 0 1x 2x 3x 4x 250 mm 250 mm Radiografi Test Ya 1. Uji Tarik 2. Uji Hardness Tidak Ada Cacat? Pembuatan Sampel Tida Pengujian 1. Uji Makro 2. Uji Mikro Analisa Data dan Pembahasan Kesimpulan End Gambar 1. Alur penelitian Uji Polarisasi Gambar 2. Tes Coupon Setelah melakukan persiapan alat alat pengelasan, maka dilakukan pengelasan dengan urutan proses pemasangan kunci pada bagian bawah, hal ini bertujuan untuk mencegah terjadinya deformasi pada proses pengelasan. Setelah itu dilakukan pengelasan untuk layer pertama yaitu root/akar, lalau digerinda untuk menghaluskan dan persiapan pengelasan untuk layer ke 2. Kemudian dilakukan pengelasan layer kedua yaitu capping dan pengunci bagian bawah di lepas, setelah itu dilakukan pengelasan layer ketiga yaitu backweld. Setelah itu dilakukan pengujian radiografi pada spesimen untuk mengetahui ada tidaknya cacat, jika ada cacat maka maka dilakukan pengelasan ulang. Untuk pengelasan ulang, 2 layer pertama yaitu capping dan root digerinda, kemudian pengunci dipasang lagi untuk mencegah terjadinya deformasi dan kembali dilakukan pengelasan root
dan capping. Setelah itu pengunci dilepas dan dilakukan kembali pengujian radiografi. Setelah dilakukan proses pengelasan, spesimen hasil pengelasan dipotong untuk dijadikan sampel pengujian. Pengujian yang dilakukan ialah pengujian tarik (Tensile Test), pengujian kekerasan (Hardness Test), pengujian atau pengamatan struktur mikro dan makro, dan pengujian ketahanan korosi. Pengujian tarik dan kekerasan dilakukan untuk mengetahui sifat mekanik material hasil variasi pengelasan. Pengujian tarik menggunakan standar D 1.1. Pengujian struktur mikro menggunakan standar ASTM E 407. Pengujian ketahanan korosi menggunakan potensiostat berdasarkan polarisasi potensiodinamik. Pada pengujian ini, sampel dibuat dengan memotong aluminium berbentuk bulat dengan diameter 10 mm dan tebal 8 mm. Kemudian sampel tersebut dihubungkan dengan kawat tembaga dengan panjang 20 cm yang nantinya dipakai sebagai elektroda kerja. Kemudian kawat tersebut diselubungi dengan selang plastik berdiameter kecil supaya menghindari kontak antara kawat tembaga dengan larutan. Langkah berikutnya yaitu pelapisan sampel dengan resin epoxy dan membiarkan sisi lain tidak terlapisi karena sisi tersebut digunakan sebagai objek dari penelitian ini. Sebelum direndam ke dalam larutan NaCl, permukaan yang tidak terlapisi oleh resin dipoles dengan kertas SiC dari grid 400-2000, kemudian dibilas dengan etanol. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengujian Tarik Berdasarkan pengujian tarik standar AWS D1.1, didapatkan hasil yang ditunjukkan melalui tabel 1. Tabel 1. Hasil Uji Tarik No. σy (Mpa) σu (Mpa) 1. R0 165,96 265,05 2. R1 176,37 233,13 3. R2 169,75 251,06 4. R3 191,90 254,46 5. R4 176,72 216,93 Hasil uji tarik kemudian dimasukkan dalam grafik agar dapat dilihat perbandingannya. Grafik ditunjukkan pada gambar 4.3. Tegangan (MPa) 275 250 225 200 175 150 125 0 1 2 3 4 Keterangan : R0 spc. non repair R1 spc. repair 1 x R2 spc. repair 2 x R3 spc. repair 3 x R4 spc. repair 4 x ultimate strength Yield strength Gambar 3. Grafik perbandingan hasil uji tarik Dari grafik terlihat bahwa nilai ultimate strength (UTS) mengalami penurunan mulai R1 sampai R4. Nilai UTS non repair sebesar 265,05 Mpa. Nilai UTS pada spesimen repair tertinggi sebesar 254,46 Mpa yakni pada R3, dan nilai terendah ketika R4 yaitu 216,93 MPa. 3.2 Pengujian kekerasan MikroVickers Dari pengujian kekerasan menggunakan microvickers, didapatkan nilai kekerasan (HV) yang ditunjukkan tabel 2. Tabel 2. Distribusi kekerasan rata-rata tiap spesimen HV (0,1) No. BM WM 1. R0 67,80 60,36 72,60 2. R1 60,86 58,46 67,40 3. R2 73,36 62,56 73,73 4. R3 74,03 74,26 79,70 5. R4 85,53 89,76 85,50
HV 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 0 1 2 3 4 Keterangan : R0 spc. non repair R1 spc. repair 1 x R2 spc. repair 2 x R3 spc. repair 3 x R4 spc. repair 4 x WM BM Gambar 4. Grafik perbandingan hasil uji kekerasan Setelah dibandingkan nilai kekerasan dari tiap spesimen seperti tampak pada gambar 4.3, didapatkan distribusi nilai kekerasan yang sedikit turun pada R1, lalu semakin naik dan tertinggi saat R4. Pada WM, kekerasan tertinggi saat R4 yakni sebesar 85,53 HV dan terendah pada R1 sebesar 60,86 HV. Untuk, kekerasan tertinggi pada spesimen R4 yakni sebesar 89,76 HV dan terendah pada R1 sebesar 58,46 HV. Dan untuk BM, daerah ini mestinya tidak terpengaruh panas terlalu besar, namun demikian dari hasil yang didapat menunjukkan kekerasan tertinggi pada R4 sebesar 85,5 HV dan terendah pada R1 sebesar 67,4 HV. Gambar 6. Struktur mikro daerah WM, dan BM pada spesimen repair 1x (R1) dengan Gambar 7. Struktur mikro daerah WM, dan BM pada spesimen repair 2x (R2) dengan 3.3 Pengamatan Struktur Mikro Pengamatan struktur mikro pada tiap tiap spesimen dibagi menjadi 3 bagian yaitu WM, dan BM. Gambar 8. Struktur mikro daerah WM, dan BM pada spesimen repair 3x (R3) dengan Gambar 5. Struktur mikro daerah WM, dan BM spesimen non repair (R0) dengan
rumus i corr = 10^log i untuk didapatkan nilai i corr. Kemudian dimasukkan rumus laju korosi, dan hasilnya seperti ditunjukkan pada tabel dibawah ini. Gambar 9. Struktur mikro daerah base metal pada spesimen repair 4x (R4) dengan Menurut Atlas Microstructure of Aluminum Alloys, campuran 5083 terdiri dari senyawa Mg 2 Al 3 dan (Fe,Mn) 3 SiAl 12 yang menyatu dengan matrik aluminium. Dari struktur mikro yang didapat, kedua partikel tersebut terlihat berwarna abu-abu dan kebiruan, dan terdispersi merata. Selain itu, sebagai akibat pengelasan muncul presipitasi Mg 2 Si yang berwarna hitam. Presipitat ini semakin banyak jumlahnya seiring bertambahnya repair, dan butirannya juga semakin besar dan kasar yang akan mempengaruhi sifat mekanik. 3.4 Pengamatan Struktur Makro Dari pengamatan struktur makro diketahui bahwa daerah yang terbentuk setelah proses pengelasan sangat kecil, dengan lebar 1 2 mm pada tiap spesimen. Selain itu, terlihat pula adanya layer-layer pada daerah weld metal sebagai akibat pengelasan yang berulang. Porosity juga tampak bertambah jumlahnya seiring semakin banyaknya repair, yang bisa disebabkan berbagai macam hal misal kurang bersih saat pembersihan atau mungkin faktor welder itu sendiri. Selain itu, pada spesimen R4 terlihat adanya inklusi dari pengotor yang masuk sampai ke daerah weld metal. 3.5 Pengujian Ketahanan Korosi Dari hasil pengujian polarisasi potensiodinamik yang dilakukan di dapatkan grafik tafel. Dari grafik tafel dapat ditarik garis untuk menentukan e corr dan log i. Nilai log i lalu dimasukkan Tabel 3. Hasil laju korosi tiap spesimen i corr i corr WM laju korosi laju korosi WM R0 1,28E-03 1,90E-03 1,40E-05 2,07E-05 R1 1,00E-03 1,94E-03 1,09E-05 2,12E-05 R2 1,99E-04 1,25E-04 2,17E-06 1,37E-06 R3 5,01E-05 3,98E-05 5,46E-07 4,33E-07 R4 1,73E-03 2,51E-04 1,89E-05 2,73E-06 Nilai laju korosi yang didapat lalu dimasukkan dalam satu grafik yang ditunjukkan oleh gambar 10. Laju korosi (mm/year) 2,5E-05 2E-05 1,5E-05 1E-05 5E-06 0 0 1 2 3 4 Gambar 10. Grafik perbandingan nilai laju korosi pada daerah Weld Metal dan Untuk daerah, nilai laju korosi terbesar pada spesimen R4 sebesar 1,8942 x 10-5, dan laju korosi terendah pada R3 sebesar 5,46294 x 10-7. Sedangkan pada daerah WM, nilai laju korosi terbesar pada R1 sebesar 2,07695 x 10-5 dan nilai laju korosi terendah pada R3 sebesar 4,33937 x 10-7. 3.6 Pembahasan Dari pengujian yang dilakukan, terlihat bahwa adanya variasi pengelasan ulang akan mempengaruhi sifat mekanik, struktur Keterangan : R0 spc. non repair R1 spc. repair 1 x R2 spc. repair 2 x R3 spc. repair 3 x R4 spc. repair 4 x laju korosi haz laju korosi wm
mikro maupun laju korosinya. Perubahan sifat mekanik dapat dilihat dari hasil pengujian tarik dan pengujian kekerasan. Hasil pengujian tarik menunjukkan nilai UTS menurun dengan adanya repair. Pada R2 dan R3 nilai UTS naik meski nilainya tetap dibawah spesimen non repair. Nilai UTS repair terbesar pada R3 sebesar 254,46 Mpa masih di bawah nilai UTS non repair sebesar 265,05 Mpa. Namun pada R4, nilai UTS menurun drastis sebesar 216,93 Mpa. Menurunnya nilai UTS ini menunjukkan bahwa kekuatan turun seiring adanya jumlah repair, dan semakin besar input panas atau pada repair 4, kekuatan turun drastis. Adanya penurunan kekuatan ini disebabkan semakin banyaknya Mg 2 Si yang terbentuk pada penambahan repair. Pada spesimen non repair sampai R3 penambahan jumlah Mg 2 Si tidak terlalu drastis sehingga penurunan nilai UTS tidak terlalu signifikan. Namun pada saat R4, partikel Mg 2 Si yang terbentuk semakin banyak dan butirannya cukup besar sehingga mempengaruhi kekuatan material tersebut. Selain uji tarik, sifat mekanik dapat dilihat dari pengujian kekerasan. Dari distribusi nilai kekerasan, nilai kekerasan meningkat drastis. Nilai kekerasan mulai meningkat setelah R2 yakni sebesar 62,56 HV dan mencapai kekerasan tertinggi saat R4 sebesar 89,76 HV. Hal ini disebabkan penambahan input panas yang menyebabkan meningkatnya nilai kekerasan. Hal ini terbukti pada R4 yang mengalami pemanasan berulang ulang memiliki angka kekerasan tertinggi. Grafik kekerasan pada WM dan BM tidak berbeda dengan dan memiliki nilai kekerasan tertinggi pada R4 sebesar 85,53 HV. Untuk BM, kekerasan tertinggi pada R4 sebesar 85,5 HV. Sehingga dari keseluruhan daerah lasan, spesimen R4 memiliki distribusi kekerasan tertinggi sebagai akibat pemanasan yang berulang-ulang dan terlihat pada struktur mikronya bahwa butiran Mg 2 Si yang terbentuk memilki butir yang kasar. Sifat mekanik yang berubah seiring penambahan jumlah repair tidak lepas dari perubahan struktur mikro yang terjadi selama proses pengelasan. Perubahan struktur mikro terjadi pada daerah yang merupakan pencampuran dari weld metal dan base metal. Struktur mikro awal dari Al 5083 ialah Mg 2 Al 3. Adanya pemanasan dari proses pengelasan membuat Mg larut dalam kristal Al yang FCC. Setelah temperatur menurun, batas kelarutan Mg dalam Al sendiri menurun dan sebagian Mg akan keluar dari kristal. Mg yang keluar ini akan berikatan dengan Si yang merupakan unsur penyusun terbesar dari filler dan membentuk partikel Mg 2 Si. Oleh karena itu, pada daerah butiran hitam tampak lebih besar dan kasar dibandingkan butiran hitam yang sama pada daerah weld metal dan base metal. Seiring bertambahnya repair, maka spesimen akan mengalami input panas yang berulang-ulang, dan proses seperti dijelaskan di atas akan berulang pula. Dari struktur mikro terlihat bahwa partikel Mg 2 Si semakin banyak dan berukuran kasar seiring bertambahnya repair. Sifat senyawa inilah yang menyebabkan kekerasan yang meningkat, serta menurunkan keuletan. Sejalan dengan bertambahnya Mg 2 Si, maka partikel (Fe,Mn) 3 SiAl 12 yang berwarna abu-abu, yang menyatu dengan matrik aluminium juga semakin menurun, meskipun tidak drastis. Sedangkan Mg 2 Al 3, yang berwarna kebiruan dalam matriks Aluminium akan menurun sebagai akibat naiknya masukan panas pada logam las, serta Mg yang berikatan dengan Si membentuk Mg 2 Si. Menurunnya kedua partikel ini menyebabkan kekuatan dan ketangguhan dari lasan menurun. Hasil pengujian kekerasan serta struktur mikro ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan sebelumnya oleh Bayu Dedi Prasetyo, 2008, dimana nilai kekerasan cenderung naik seiring bertambahnya proses repair, dan partikel Mg 2 Si akan terbentuk semakin banyak seiring bertambahnya repair. Selain sifat mekanik dan struktur mikro, satu perilaku lain yang akan dibahas ialah laju korosi. Melalui pengujian menggunakan potensiostat, pengolahan grafik tafel dan penghitungan melalui rumus, maka didapatkan nilai laju korosi dari tiap spesimen yang dibagi dalam 2 daerah dan WM. Laju korosi pada menurun seiring bertambahnya repair dan mencapai titik terendah pada R3 sebesar 5,46294 x 10-7 mm/year. Kemudian meningkat pada spesimen R4 sebesar 1,8942 x 10-5 mm/year. Sedangkan pada WM, laju korosi terbesar pada R1 yaitu 2,07695 x 10-5 mm/year, lalu semakin menurun dan terendah pada R3 sebesar 4,33937 x 10-7 mm/year.
Nilai laju korosi yang meningkat pada R4 ini disebabkan perubahan struktur mikro seperti yang telah dijelaskan sebelumnya. Dengan kata lain, semakin bertambahnya repair maka semakin banyak terbentuk senyawa selain Aluminium itu sendiri, sehingga ketahanan korosi akan sedikit menurun. Meski mengalami kenaikan laju korosi, nilai yang didapat setelah pengujian korosi ini bisa dikatakan bahwa laju korosi tidak terpengaruh adanya pengelasan ulang. Hal ini dilihat nilai laju korosi yang sangat kecil dari spesimen pengujian. Selain itu mengingat bahwa sifat tahan korosi yang sangat baik dari Al 5083 itu sendiri. Hasil ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh S. Katsas, dkk lainnya mengenai ketahanan korosi repair welding aluminium yang menyatakan bahwa secara keseluruhan, adanya pengelasan ulang pada aluminium tidak memberikan efek yang signifikan pada ketahanan korosinya. 4. KESIMPULAN Hasil uji tarik menunjukkan penurunan nilai kekuatan tarik seiring bertambahnya repair. 4 x repair memiliki nilai UTS terendah dibandingkan spesimen non repair, yakni sebesar 216,3 Mpa. Nilai kekerasan tertinggi juga pada spesimen 4 x repair sebesar 89,76 HV pada dan 85,53 HV pada weld metal. Peningkatan kekerasan ini sebanding dengan peningkatan senyawa Mg 2 Si, dimana semakin banyak dilakukan proses repair maka partikel Mg 2 Si yang terbentuk semakin banyak dengan butiran yang besar. Proses repair tidak memiliki pengaruh yang signifikan terhadap ketahanan korosi Al 5083. Prosedur yang dilakukan untuk proses repair Al 5083 menggunakan metode GMAW sesuai untuk memperbaiki hasil pengelasan yang cacat sampai batas 3 x repair, karena pada 4 x repair nilai UTS turun cukup drastis [2] Boyd, W.K dan Fink, F.W. Corrosion of metals in marine environments, Battelle, report MCIC-78 37. 1978. [5] Fontana M.G., Green N.D. Corrosion Engineering. New York. McGraw- Hill. 1967 [3] Katsas S. b,*, Nikolaou J. b, Papadimitriou G. B. Corrosion resistance of repair welded naval aluminium alloys. Science Direct. 2005. [4] Katsas S. b,*, Nikolaou J. b, Papadimitriou G. b. Microstructural changes accompanying repair welding in 5xxx aluminium alloys and their effect on the mechanical properties. Science Direct. 2005. [5] Smallman R. E, Bishop R. J. Metalurgi Fisik Modern dan rekayasa Material, edisi keenam. Jakarta. Erlangga. 2000. [6] Sonawan Hery dan Suratman Rochim. Pengantar untuk Memahami Proses Pengelasan Logam. Bandung. Alfabeta. 2004. [7] V. Balasubramanian. Influences of pulsed current welding and post weld aging treatment. 2006. [8] Vargel,C. Corrosion of Aluminium. Elsevier Sciencedirect. 2004. [9] Wiryosumarto, Harsono, Prof. Dr. Ir. Teknologi Pengelasan Logam. Edisi keenam. Jakarta. Pradnya Paramitha. 1986. 5. DAFTAR PUSTAKA [1] Bayu Dedi Prasetiyo. Studi Variasi Pengelasan Ulang Terhadap Cacat Las dan Kekerasan Material Aluminium 5083. Digilib ITS. 2008