ANALISIS SIFAT MEKANIK DAN STRUKTUR MIKRO PADUAN ALUMINIUM 5083 AKIBAT PENGELASAN METAL INERT GAS (MIG) DENGAN VARIASI PREHEAT DAN POST HEAT Mahros Darsin i, Salahuddin Junusii, Yopi Indra Triawan iii Jurusan Teknik Mesin Universitas Jember ABSTRAK Aluminum is widely use in current manufacturing. One method to join between two or more aluminum sheet is using welding. Ideally a weldment, by this is meant the complete joint comprising the weld metal, heat affected zones (HAZ) and the adjacent parent metal – should have the same properties as the parent metal. There are, however, a number of problems associated with the welding of aluminum and its alloys that make it difficult to achieve this ideal. One solution to overcome problems in welding of aluminum is to implement preheat and post heat to the sheets. The purpose of this study is to analyze influence of using different variation of preheat and post heat in MIG welding of aluminum 5083. Preheat is implemented for preventing cracking of welds, reducing residual stress, improving toughness, and controlling the metallurgical properties of the heat affected zone (HAZ). The most frequently used heat treatment after welding is for relieving of residual welding stress, reduce weld and HAZ hardness, improve toughness, outgas hydrogen from the weld and increase ductility. It is proved from this research that mechanical properties are better after preheat and post heat. Tensile strength with preheat and post heat is 146 Mpa, but no preheat or post heat produce 59 Mpa. Hardness of HAZ, fusion, first and second layer have decreased. Kata kunci: preheat, post heat, aluminium, meachanical properties, MIG welding PENDAHULUAN Alumunium merupakan salah satu jenis logam yang banyak digunakan dalam dunia perindustrian karena memiliki beberapa kelebihan yang sangat menguntungkan penggunanya. Dalam penggunaannya, alumunium tidak lepas dari proses pengelasan dan salah satu proses pengelasan yang sesuai untuk penyambungan alumunium adalah las MIG (Metal Inert Gas). Las MIG (Metal Inert Gas) merupakan salah satu jenis pengelasan busur listrik (Arc Welding), yaitu jenis las yang memanfaatkan busur listrik yang terjadi antara elektroda dengan benda kerja. Mulamula elektroda kontak/bersinggungan dengan logam yang dilas sehingga terjadi aliran arus listrik, kemudian elektroda diangkat sedikit sehingga timbulah busur. Las MIG (Metal Inert Gas) adalah proses pengelasan dimana busur nyala listrik ditimbulkan oleh elektroda terumpan (continuous filler metal) dengan benda kerja logam. Pengelasan ini menggunakan gas pelindung sebagai penunjang dan melindungi proses pengelasan dari faktor-faktor yang tidak diinginkan. Selain itu harus diperhatikan parameter-parameter yang memengaruhi hasil pengelasan, yaitu arus, sifat logam induk, logam pengisi, preheat, post heat dsb. Funderburk (1997), menganjurkan pemanasan mula (preheat) dan penahanan panas (post heat) ketika menggunakan las MIG untuk penyambungan pelat alumunium yang tebalnya di atas 6 mm. Ketiadaan perlakuan panas sebelum dan setelah pengelasan menghasilkan lasan yang jauh dari sifat kedua pelat yang 67
M.Darsin dkk, Jurnal ROTOR Volume 3 Nomor 2, Juli 2010 disambung. Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui pengaruh pemberian preheat dan post heat pada pengelasan aluminium lakuran Al 5083 dari tinjauan sisfat mekanis (kekuatan tarik dan kekerasan) dan struktur mikronya. TINJAUAN PUSTAKA Pengelasan adalah suatu proses penyambungan logam secara permanen hingga terjadi ikatan yang dihasilkan dari kombinasi energi panas, tekanan dan kondisi material (Md. Ibrahim Khan (2007), Alip (1989). Sedangkan Darius (1998) menambahkan adanya ikatan metalurgi yang ditimbulkan oleh gaya tarik menarik antara atom. Penyambungan bisa dengan atau tanpa bahan tambah (filler metal) yang sama atau berbeda titik cair maupun strukturnya. Salah satu jenis pengelasan yang sudah lama dikenal adalah MIG, karena aplikasinya menghasilkan kualitas dan ketelitian yang tinggi. Proses pengelasan ini menggunakan elektroda terumpan (continuous filler metal), elektroda pada las ini juga sebagai logam pengisi yang diatur secara otomatis pada torch. Bagian dari torch dapat dilihat pada gambar 1 (kiri). Arus listrik mengalir pada elektroda akibat adanya penurunan beda potensial antara elektroda dengan logam yang dilas (base metal), sehingga menimbulkan tegangan antara elektroda dan logam induk. Panas ditransfer ke logam induk oleh busur yang timbul. Elektroda, kawat pengisi kawah las dan lasan yang telah membeku pada kampuh las dilindungi dari oksidasi oleh gas pelindung (shielding gas), yang umumnya adalah gas argon atau campuran argon helium. Skema proses pengelasan MIG ini dapat dilihat pada Gambar 1 (kanan).
Gambar 1. Perangkat las MIG (kiri) dan skema pengelasan MIG (kanan) Sumber: Gene Mathers, The Welding of Aluminium and Its Alloy : 127 Paremeter yang berpengaruh pada pengelasan MIG adalah besaran arus, polaritas, penambahan panas sebelum (preheat) dan setelah (post heat), penggunaan gas pelindung, jenis elektroda dan logam induknya sendiri. Secara khusus, preheat dan post heat diberikan apabila melakukan penyambungan benda las dengan ketebalan 6 mm atau lebih, karena pada ketebalan tersebut pengelasan dilakukan pengelasan dua layer (dua lapis) proses pengelasan. Secara umum pemberian perheat bertujuan untuk mengurangi kelembapan permukaan logam yang akan dilas, memberikan penyesuaian temperatur panas pada pengelasan, dan mengurangi efek dari pemanasan pada waktu proses pengelasan. Sedangkan alasan diberikan post heat pada proses pengelasan adalah untuk mencegah penurunan sifat mekanis dari overheating, mengurangi ukuran dari daerah lunak pada HAZ, dan mengurangi efek dari pendinginan setelah pengelasan.
68
M.Darsin dkk, Jurnal ROTOR Volume 3 Nomor 2, Juli 2010 METODOLOGI PENELITIAN Tempat, Waktu, Alat dan Bahan Penelitian Penelitian ini meliputi dua kegiatan utama yaitu pembuatan dan pengujian. Pembuatan spesimen uji, proses pengelasan, pengamatan struktur mikro dan uji tarik dilakukan di laboratorium Las dan Desain Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember dan uji kekerasan dilakukan di Universitas Brawijaya. Bahan yang digunakan meliputi aluminium paduan tipe 5083, elektrode (aluminium 5356), dan pelindung mengguanakan gas argon (Ar) kode warna biru tua. Sedangkan alat utama yang digunakan adalah mesin las MIG, elemen pemanas, dan alat pendukung lain seperti sepatu APD, sarung tangan, kaca mata pelindung, sikat baja, tang dan martil. Untuk pengujian digunakan mesin uji tarik, mesin uji kekerasan, dan uji mikro. Variasi Parameter Proses pengelasan pada penelitian ini dilakukan dengan variasi pemberian preheat dan post heat terhadap logam induk, dengan menggunakan parameter-parameter yang telah ditentukan. Karena pada pengelasan ini logam induk memiliki ketebalan 6,4 mm maka pengelasan dilakukan dua layer dengan variasi perlakuan preheat dan post heat seperti tampak pada Tabel 1. Batasan lain yang diterapkan pada penelitian adalah temperatur preheat post heat 120 oC. Sedangkan perlakuan preheat diberikan selama 10 menit, sementara post heat diberikan selama 15 menit. Tabel 1. Variasi perlakuan pengelasan Layer I
Layer II
Proses Preheat
Preheat
Post heat
I
X
X
X
II
√
X
X
III
√
√
X
IV
√
√
√
Keterangan: - Simbol (√) menunjukkan adanya perlakuan dan (X) tidak Analisis Data Proses analisa yang dilakukan adalah dengan membandingkan variasi preheat dan post heat pada proses pengelasan MIG terhadap perubahan sifat mekanik dari hasil proses percobaan dari beberapa spesimen sebagai pembanding dalam memeperoleh rata-rata dari data yang diperoleh. Pengamatan pada struktur mikro juga dilakukan untuk mengetahui perubahan struktur yang terjadi di daerah pengelasan khususnya pada daerah lasan (kampuh), HAZ dan daerah logam induk yang disebabkan input panas dari proses pengelasan MIG tersebut. Pada penelitian ini sampel yang digunakan kemudian dianalisis dengan menggunakan metode grafik dan tabel untuk mendapatkan nilai rata-rata dari hasil proses pengelasan MIG yang dilakukan. Kemudian semua data-data yang diperoleh tersebut digunakan sebagai acuan untuk memperoleh data mengenai parameter-parameter mana yang sangat berpengaruh dalam
69
M.Darsin dkk, Jurnal ROTOR Volume 3 Nomor 2, Juli 2010 proses pengelasan MIG tersebut untuk baik yang berpengaruh pada sifat mekanik logam maupun struktur mikronya. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Data Hasil Pengujian Tarik Pengujian tarik dilakukan sesuai dengan strandard uji tarik ASTM 557M - 02a (Standard Test Methods of Tension Testing Wrought and Cast Aluminum and Magnesium-Alloy Products [Metric]). Hasilnya disajikan pada gambar 2.
Gambar 2. Grafik UTS kekuatan tarik hasil (kiri) dan regangan (kanan) pada pengelasan Al 5083 Gambar 2 (kiri) menyajikan nilai dari hasil pengujian tarik pada terhadap lasan Al 5083. Pada pengujian tarik proses I (tanpa adanya perlakuan preheat dan post heat) diperoleh nilai UTS sebesar 59 Mpa, sementara hasil proses II (dengan diberikan perlakuan preheat hanya pada layer I dengan temperatur 120 0C diperoleh nilai UTS sebesar 81 Mpa. hal ini sesuai dengan apa yang dituliskan oleh Funderburk (1997) bahwa pemberian preheat dapat meningkatkan keuletan dan meningkatkan ketangguhan hasil pengelasan serta mengurangi resiko retak pada hasil pengelasan yang disebabkan oleh adanya difusi hidrogen dan tegangan sisa. Sedangkan dari pengujian tarik proses III dengan diberikan perlakuan preheat pada layer I dan dilanjutkan preheat pada layer II dengan temperatur 120 0C diperoleh nilai UTS sebesar 124 Mpa. Hasil dari pengujian tarik yang diperoleh mengalami peningkatan daripada dua proses pengelasan sebelumnya, hal ini dikarenakan presipitasi magnesium dan silikon lebih larut daripada proses pengelasan sebelumnya, sehingga kekuatan tariknya lebih meningkat dan keuletannya juga meningkat (Gene Mathers: 18, 2000). Dengan lepasnya tegangan sisa pada spesimen maka kekuatan hasil pengelasan akan semakin meningkat, karena tidak terjadi penambahan tegangan pada waktu proses pengelasan yang dapat menyebabkan retak (Sindo Kou, 2003). Terakhir hasil pengujian tarik proses IV dengan diberikan perlakuan preheat pada layer I dan dilanjutkan preheat pada layer II dengan temperatur 120 0C kemudian diberi perlakuan post heat dengan temperatur 120 0C diperoleh nilai UTS sebesar 146 Mpa. Pada pengamatan struktur mikro tampak jelas presipitasi magnesium dan silicon mengalami peningkatan kelarutan, hal ini menyebabkan keuletan hasil pengelasan meningkat seperti tampak pada gambar 3 grafik regangan, menunjukkan regangan hasil pengelasan proses IV mempunyai nilai tertinggi yaitu 8,83 %.
70
M.Darsin dkk, Jurnal ROTOR Volume 3 Nomor 2, Juli 2010 Secara umum dapat dikatakan bahwa pemberian perlakuan panas sebelum dan/atau sesudah pengelasan akan meningkatkan kekuatan tarik lasan. Bahkan pemberian perlakuan pada kedua layer akan meningkatkan kekuatan tarik mendekati logam induk. Gambar 2 (kanan) menyajikan grafik elongasi lasan Al 5083. Pada proses I, tanpa perlakuan panas, diperoleh elongasi 7,5% sedikit lebih rendah dari logam dasar sebeser 8%. Pemberian satu treatment, preheat saja baik layer tunggal maupun dobel, mennaikkan elongasi lebih tinggi dari logam dasar (8,16%). Pemberian laku panas sebelum dan sesudah meniakkan elongasi ke tingkat paling tinggi 8,83%. Dengan pemberian preheat dan post heat kelarutan Mg dalam alumunium semakin meningkat sehingga dengan meningkatnya kelarutan Mg ini kemampuan Mg dalam mengikat Si akan semakin meningkat pula, hal ini menyebabkan kekuatan tarik material juga semakin meningkat. Pemberian preheat dan post heat juga dapat mengurangi kadar kelarutan hidrogen pada hasil pengelasan, pada pengelasan alumunium hidrogen dapat pada larut pada daerah kampuh (weld metal) yang dapat menyebabkan adanya porositas pada hasil pengelasan, hal ini juga dapat mengurangi kualitas hasil pengelasan, terutama kekuatan hasil las. Uji Kekerasan Pengujian kekerasan ini diberikan pada beberapa titik yaitu layer I, layer II, HAZ dan batas antar layer I dan layer II. Data selengkapnya disajikan pada tabel 2. Tabel 2. Data uji kekerasan Titik
Layer I
Layer II
HAZ
Batas layer I dan layer II
90 90 85 88,33
80 65 72 72,33
79 78 80 79
80 78 78 78,67
64 55 79 66
68 67 78 71
57 64 65 62
55 57 55 55,67
Bahan I
1 2 3 Rata-rata
75 75 78 76
76 60 68 68 Bahan II
1 2 3 Rata-rata
78 78 74 76,67
58 67 82 69 Bahan III
1 2 3 Rata-rata
65 68 65 66
48 64 65 59 Bahan IV
1 2 3 Rata-rata
59 64 56 59,67
58 52 48 52,67
71
M.Darsin dkk, Jurnal ROTOR Volume 3 Nomor 2, Juli 2010 Selanjutnya data disajikan secara grafis dan ditampilkan pada gambar 3.
Gambar 3. Nilai kekerasan pada layer I (kiri) dan pada layer II (kanan) Dari pengujian kekerasan menunjukkan bahwa pemberian preheat dan post heat pada proses pengelasan dapat mengurangi kekerasan. Semakin tinggi temperature yang diberikan pada suatu material maka nilai kekerasannya akan turun (Md Ibrahim Khan, Welding Science And Technology: 111, 2007). Hal ini dikarenakan ukuran butir struktur mikronya semakin membesar. Pada daerah HAZ mempunyai nilai kekerasan tertinggi sebesar 88 BHN, sedang pada pada daerah layer I sebesar 72 BHN dan layer II sebesar 68 BHN, nilai kekerasan ini sedikit di bawah nilai kekerasan layer I dan layer II pada proses II, hal ini dikarenakan masih banyaknya formasi Mg2Si pada hasil pengelasan, semakin banyak kadar Mg2Si kekarasan semakin meningkat tetapi keuletan akan berkurang. Pada pengelasan proses I (tanpa perlakuan preheat dan post heat) kekerasan pada daerah HAZ mempunyai nilai kekerasan tertinggi sebesar 88,333 BHN, sedang pada pada daerah layer I sebesar 72,33 BHN dan layer II sebesar 68 BHN, nilai kekerasan ini sedikit dibawah nilai kekerasan layer I dan layer II pada proses II, hal ini dikarenakan masih banyaknya formasi Mg2Si pada hasil pengelasan, semakin banyak kadar Mg2Si kekerasan semakin meningkat. Pada proses pengelasan II, III dan IV diperoleh penurunan nilai kekerasan pada daerah HAZ, layer I dan layer II hal ini disebabkan oleh semakin larutnya Mg pada alumunium pada waktu proses presipitasi, sehingga kemampuan Mg dalam mengikat Si semakin meningkat pula. Dengan meningkatnya kemampuan Mg mengikat Si maka kelarutan Si juga semakin meningkat sehingga endapan Si berkurang. Pemberian preheat dan post heat juga dapat mengurangi adanya tegangan sisa (residual stress) pada hasil pengelasan, sehingga dapat mengurangi nilai kekerasannya. Preheat yang diberikan sebelum pengelasan mengurangi tegangan sisa pada spesimen pada waktu proses pembuatannya, dan post heat mengurangi tegangan sisa yang muncul setelah proses pengelasan (Sin Dokou, 2003). Dengan berkurangnya tegangan sisa (residual stress), maka berkurang pulai nilai kekerasannya. Pengamatan Struktur Mikro Pengamatan struktur mikro dilakukan untuk mengetahui perubahan struktur mikro yang terjadi akibat adanya proses pengelasan, yaitu di daerah weld metal, HAZ, layer I, layer II dan batas layer I dan layer II. Gambar 4 menunjukkan struktur mikro dari alumunium 5083, dimana alumunium yang berisi silikon (Si) mempunyai kepekaan dalam membentuk formasi presipitat Mg2Si, 72
M.Darsin dkk, Jurnal ROTOR Volume 3 Nomor 2, Juli 2010 pembentukan Mg2Si ini dapat meningkatkan kekuatan tarik dan kekerasan pada alumunium 5083 (Wajira Mirihanage, 2004). Butir dengan bentuk memanjang pada alumunium 5083 adalah MnAl6 (berwarna keabua-abuan, bergaris tepi). Daerah yang berwarna gelap kemungkinan partikel yang tidak dapat larut yang mengandung magnesium (seperti Mg2Si), sedangkan Mg2Al3 terpresipitasi di dalam butir (ASM volume 9: Metallography and Microstructures, 1992).
Gambar 4. Struktur mikro base metal Alumunium 5083 (500x) Gambar 5 adalah hasil pengelasan dari alumunium 5083 dengan menggunakan las MIG menggunakan filler 5356. Perubahan struktur mikro pada proses pengelasan tidak terlepas dari perilaku panas yang ditimbulkan selama proses pengelasan. Perubahan struktur mikro terjadi pada daerah fusion line. Daerah ini merupakan daerah pencampuran logam pengisi dan base metal. Pada daerah fusion (daerah kampuh) tampak butiran partikel yang berwarna hitam. Partikel ini mengandung unsur magnesium dan silikon. Daerah fusion line ini memiliki struktur dengan butir-butir yang lebih kasar, hal ini disebabkan base metal yang menerima panas lebih akan melepaskan Mg, unsur Mg ini akan bersenyawa dengan Si yang merupakan unsur tambahan filler metal. Tampak pada gambar 8 partikel yang berwarna hitam adalah Mg2Si. Pada proses I pengelasan tanpa diberikan perlakuan preheat dan post heat tampak pada gambar 5 (a) struktur mikro susunan didominasi oleh susunan Mg2Si, dan juga Si yang tidak larut pada logam lasan, karena pada proses I waktu proses presipitasi terhadap temperatur yang diberikan singkat sehingga kelarutan unsure magnesium dan silikon menjadi berkurang (Gene Mathers, 2000:16,). Pada proses II pengelasan diberikan perlakuan preheat pada layer I saja tampak pada gambar 5 (b) kadar Mg2Si lebih sedikit dari pada proses I, hal ini dikarenakan adanya temperature mula (panas mula) yang menaikkan kelarutan magnesium dan silikon pada proses presipitasi. Pada proses III pengelasan diberikan perlakuan preheat pada layer I dan II tampak pada gambar 5 (c) kadar Mg2Si juga lebih sedikit dari proses I dan II hal ini dikarenakan pada proses ini penambahan preheat dilakukan dua kali sehingga waktu untuk pembentukan presipitasi dan pelarutan magnesium dan silikon bertambah. Pada proses IV pengelasan diberikan perlakuan preheat pada layer I dan II kemudian dilanjutkan dengan post heat, hasil dari pengelasan ini tampak pada gambar 5 (d), pada gambar tampak kadar Mg2Si sudah jauh berkurang bila dibandingkan dengan proses-proses sebelumnya. Hal ini dikarenakan 73
M.Darsin dkk, Jurnal ROTOR Volume 3 Nomor 2, Juli 2010 penambahan waktu proses presipitasi magnesium dan silikon juga bertambah sehingga kelarutan magnesium dan silicon meningkat. Pada hasil pengelasan alumunium ini juga dapat dilihat adanya porositas yang kemungkinan besar disebabkan oleh hidrogen. Dapat dilihat dari variasi preheat dan post heat yang dilakukan, terjadi pengurangan porositas yang terjadi pada hasil pengelasan karena berkurangnya kelarutan hidrogen yang yang kemungkinan besar sebagai penyebab porositas.
Gambar 5. Struktur mikro daerah fusion pengelasan alumunium 5083 (500x)
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 1. Pemberian laku panas pada pengelasan MIG pada bahan aluminum 5083 menaikkan nilai kekuatan tarik dengan kenaikan tertinggi apabila diberikan pre heat dan post heat sekaligus. Sedangkan terhadap sifat elongasi, perlakuan panas meningkatkan elongasinya melebihi angka elongasi base metal. Hal ini terbalik dengan sifat kekersan. 2. Perlakuan preheat dan post heat menaikkan kelarutan magnesium dan silikon pada proses presipitasi, hal ini ditunjukkan dengan semakin larutnya atau berkurangnya formasi Mg2Si pada hasil pengelasan dengan pemberian perlakuan preheat dan post heat. Juga berkurangnya porositas akibat difusi hidrogen. Saran 1. Pada pengelasan alumunium 5083 menggunakan las MIG harus memerhatikan parameter- parameter dan persiapan-persiapan sebelum melakukan pengelasan, karena faktor-faktor ini nantinya dapat memengaruhi hasil pengelasan. 74
M.Darsin dkk, Jurnal ROTOR Volume 3 Nomor 2, Juli 2010 2. Pada penambahan preheat dan post heat harus memerhatikan bahan material dan lama proses pemberian variasi tersebut. 3. Pengelasan alumunium 5083 menggunakan las MIG harus memerhatikan keamanan selama proses pengelasan, karena pengelasan MIG dapat mengontaminasi manusia terutama gas dan radiasi busur lasnya. DAFTAR PUSTAKA [1]
Mathers Gene, 2002, The Welding of Aluminium and Its Alloys, CRC Press, Washington, DC.
[2]
http\\www.migweld.de, Preheating and Inter-Pass Temperatures, [06 juni 2009]
[3]
http\\www.ssabox.com, SSAB Pelate Welding, UK [29 April 2009].
[4]
Chevron Corporation, 1998, Welding Fundamental, Untited State Of America.
[5]
American Petroleum Institute, 2004, Welding Inspection and Metallurgy, 1220 L Street, N.W., Washington, D.C
[6]
ASTM, 2002. Standard Test Methods of Tension Testing Wrought and Cast Aluminumand Magnesium-Alloy Products [Metric], B557M – 02a, Annual Book of ASTM Standart Vol.02.02. United States
[7]
Mirihanage, Wajira, 2004, Modification Of Al 5083 Weld Joint Characteristics, Department of Materials Engineering, University of Moratuwa, Moratuwa, Sri Lanka
[8]
Khan, Md Ibrahim, 2007, Welding Science and Technology, Mechanical Engineering Department Faculty Of Engineering Integral University, Lucknow.
[9]
Kou, Sindo, 2003, Welding Metallurgy (Second Edition), A JOHN WILEY & SONS, INC., New Jersey, Canada.
[10] Funderburk, R. Scott , 1997, Key Concepts in Welding Engineering (Fundamentals of Preheat), Untited State Of America. i, ii Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Jember iii Alumni Jurusan Teknik Mesin Universitas Jember
75
