ANALISA KEKUATAN MATERIAL SS400 DENGAN PENGARUH PREHEAT DAN PWHT DENGAN MENGGUNAKAN METODE SIMULASI DAN UJI TARIK
Rahmi Sartika Permana Dora Irfan Syarif Arief, ST, MT Ir. Amiadji M.M M.Sc Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS Dosen Teknik Sistem Perkapalan FTK – ITS
Abstrak
The continued development of marine technology in the world, especially in the field of welding so the more ways that can improve the quality of welding, among others by doing preheat and PWHT. Preheat function as preventing cracking (cold crack) on the material to be done before the welding process while PWHT is part of the heat treatment process that aims to eliminate the residual stresses formed after the welding process is completed. In this study will use a steel plate material with a thickness of 12mm SS400 SS400 material which includes low carbon steel (C <0.25%). This type of welding to be performed on the testing process is to use a type of FCAW and SAW welding. From the tests that have been done then it can be concluded as follows: On the SS400 plate that is welded using the SAW with heat treatment preheat and PWHT obtained tensile stress greater than the welding using FCAW with heat treatment preheat and PWHT. Effect of preheat on the plate that was welded SS400 is its appeal to a higher voltage compared with a gain of specimens heat treatment PWHT, due to the influence of PWHT change the structure of the material becomes softer so more quickly broken. Semakin berkembangnya teknologi didunia marine khususnya dalam bidang pengelasan maka semakin banyak pula cara-cara yang bisa meningkatkan kualitas pengelasan tersebut antara lain dengan cara melakukan preheat dan PWHT. Preheat berfungsi sebagai mencegah retak dingin (cold crack) pada material yang dilakukan sebelum proses pengelasan sedangkan PWHT adalah bagian dari proses heat treatment yang bertujuan untuk menghilangkan tegangan sisa yang terbentuk setelah proses pengelasan selesai. Dalam penelitian ini akan menggunakan material plat baja SS400 dengan ketebalan 12mm dimana material SS400 ini termasuk baja karbon rendah (C < 0,25%). Jenis pengelasan yang akan dilakukan pada proses pengujian tersebut adalah dengan menggunakan jenis las FCAW dan SAW. Dari pengujian-pengujian yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: Pada plat SS400 yang dilas menggunakan SAW dengan perlakuan panas preheat dan PWHT didapatkan tegangan tarik yang lebih besar dibandingkan dengan pengelasan menggunakan FCAW dengan perlakuan panas preheat dan PWHT. Pengaruh preheat pada plat SS400 yang sudah dilas yaitu tegangan tariknya menjadi lebih tinggi dibandingkan dengan spesimen yang mendapatkan perlakuan panas PWHT, dikarenakan pengaruh dari PWHT merubah struktur material menjadi lebih lunak sehingga lebih cepat putus. 1
Kata kunci : Preheat, PWHT, Plat SS400, SAW, FCAW.
I. PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Pada mulanya pemakaian pengelasan hanya berfungsi sebagai perbaikan dan pemeliharaan dari semua alat- alat yang terbuat dari logam baik sebagai proses penambalan retak–retak, penyambungan sementara, maupun sebagai alat pemotongan bagian–bagian yang dibuang atau diperbaiki. Kemajuan teknologi dewasa ini semakin pesat, demikan pula yang terjadi di Indonesia sangat membutuhkan teknik pengelasan yang baik. Perkembangan teknologi ini dapat dilihat dengan semakin kompleksnya proses penyambungan logam dengan pengelasan. Pada proses pengelasan ada beberapa faktor yang menentukan keberhasilan dalam pengelasan, dimana perubahan logam yang disambung diharapkan mengalami perubahan sekecil–kecilnya sehingga mutu las tersebut dapat dijamin. Pada pengelasan juga terdapat beberapa macam jenis model penyambungan las seperti Preheat dan PWHT ( Pos Welt Heat Treatment), PWHT adalah bagian dari process heat treatment yang bertujuan untuk menghilangkan tegangan sisa yang terbentuk setelah proses welding selesai. Material terutama carbon steel akan mengalami perubahan struktur dan grain karena effect dari pemanasan dan pendinginan. Struktur yang tidak homogen ini menyimpan banyak tegangan sisa yang membuat material tersebut memiliki sifat yang lebih keras namun keunggulannya lebih rendah. Mengacu pada uraian diatas, penulis akan mengkaji bagaimana analisa perbandingan kekuatan material SS400 dengan model penyambungan Preheat dan PWHT menggunakan metode simulasi dan uji coba. Dalam penelitian ini akan menggunakan material plat baja SS400 dengan ketebalan 12mm dimana material SS400 ini termasuk baja karbon rendah (C < 0,25%).
Jenis pengelasan yang akan dilakukan pada proses pengujian tersebut adalah dengan menggunakan jenis las FCAW dan SAW. Diharapkan nantinya akan mendapatkan hasil yang terbaik dari tiap–tiap jenis model penyambungan dari preheat dan PWHT, pengujian dalam penelitian ini meliputi pengujian tarik, dan pengujian analisa menggunakan metode simulasi Ansys. I.2 Perumusan Masalah Dalam penelitian ini, permasalahan yang akan dicari permasalahanya adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh yang terjadi pada material SS400 setelah dilakukannya proses pengelasan dengan pengaruh Preheat dan PWHT ? 2. Apa saja perbandingan yang terdapat pada material SS400 setelah dilakukannya proses pengelasan dengan pengaruh Preheat dan PWHT pada Uji tarik ? 3. Manakah hasil pengelasan yang memiliki ketangguhan yang terbaik dari setiap perlakuan ? 4. Menganalisa hasil proses uji tarik dengan analisis metode simulasi Ansys. I.3 Batasan Masalah Agar permasalahan dalam penelitian ini tidak terlalu melebar dari tujuan yang ingin dicapai, maka perlu ditentukan batasan masalah, adapun batasan permasalahan adalah sebagai berikut: 1. Hanya menguji material jenis SS400 dengan proses pengelasan dan pengaruh Preheat dan PWHT. 2. Pengujian menggunakan uji tarik dan software Ansys 3. Material yang digunakan dengan thickness 12 mm 2
I.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah : 1. Mengetahui pengaruh yang terjadi pada material SS400 setelah dilakukannya pengelasan dengan pengaruh Preheat dan PWHT. 2. Mendapatkan perbandingan hasil pengujian uji tarik dari masing-masing perlakuan panas. 3. Mendapatkan hasil pengelasan yang terbaik dari tiap-tiap perlakuan. 4. Mendapatkan hasil analisa antara uji tarik dengan metode Ansys.
pengujian serta langkahlangkahnya . BAB IV : Analisa hasil percobaan, dalam bab ini membahas hasil pengujian untuk mengetahui pengaruh yang terjadi dan mendapatkan hasil yang terbaik dari material SS400 setelah dilakukannya model penyambungan Preheat dan PWHT BAB V : Kesimpulan, dalam bab ini menjelaskan tentang kesimpulan dan saran tentang hasil dari pengujian yang telah dilakukan.
1.5 Manfaat Penelitian
Output yang diharapkan dalam melakukan pengujian adalah mendapatkan hasil perbandingan uji tarik pada material SS400 Kegunaan yang dapat diperoleh antara lain : 1. Mendapatkan hasil yang terbaik dari pengelasan yang menggunakan Preheat dan PWHT. 2. Sebagai referensi atau ide dalam pengembangan teknologi las di masa depan. 1.6 Sistematika Penulisan Dalam penyusunan tugas akhir ini disusun dengan sistematika penulisan sebagai berikut: BAB I : Pendahuluan, dalam bab ini berisi latar belakang pemilihan topik, perumusan masalah, tujuan, batasan masalah, dan metode penulisan. BAB II : Tinjauan pustaka, dalam bab ini menguraikan tentang teori yang mendasar tentang Pengelasan, PWHT, dan Preheat BAB III : Metodologi, dalam bab ini menerangkan tentang perencanaan pembuatan spesimen sampai
II. TINJAUAN PUSTAKA II.1 Prinsip SAW Pada SAW, kawat elektroda secara mekanis diumpankan pada gundukan fluks, busur terbentuk dianatara ujung elektroda dan benda kerja dibawah fluks. Hal ini dapat dikatakan bahwa seolah-olah logam inti dan fluks pelapis dari elektroda berlapis telah dipisahkan, dan logam inti dan flux dapat secara mekanis diumpankan. Fluks menutupi busur dan kolam las. Fluks dan terak melindungi kampuh las dari kontaminasi udara. Terak yang terbentuk dari lelehan fluks mempengaruhi hal-hal berikut: • Perlindungan logam las dari udara • Reaksi metalurgis dari lelehan logam dan lelehan terak, dan • Membentuk kampuh lasan saat pembekuan (solidifikasi) Keuntungan dari SAW adalah sebagai berikut: 1. Proses pengelasan sangat efisien dengan arus las yang tinggi 2. Penetrasi lasannya dalam 3. Tidak diperlukan masker pelindung mata karena busurnya terkubur 4. Jarang terjadi percikan las (spatter) dan asap 5. Sedikit sekali gangguan dari angin.
3
II.2 Prinsip FCAW Prinsip dari proses pengelasan metode FCAW pada dasarnya ama dengan metode GMAW (Gas Metal Arc Welding) dimana kedua proses tersebut memanfaatkan energi panas yang dihasilkan oleh nyala busur antara elektrode wire roll terkonsumsi yang disuplai secara kontinyu dengan benda kerja yang akan dilas. Permukaan dari logam induk dan ujung dari elektrode filler akan dicairkan oleh panas dari busur. Filler metal meleleh kemudian ditransferkan melalui busur kemolten pool. Kedalaman penetrasi dikontrol oleh kecepatan pengelasan. Dalam proses pengelasan FCAW, elektrode yang digunakan adalah elektrode flux cored dimana fluks dari elektrode akan menciptakan selubung perlindungan (self Shielded). Dalam FCAW gas pelindung bersifat optioanl. Proses FCAW dapat dikerjakan secara semi otomatis maupun otomatis dan posisi pengelasan yang dapat dikerjakan dengan FCAW, Direct Current Electrode Positive (DCEP) atau Direct Current Rod Positive (DCRP) selalu digunakan, sedangkan Alternating Current (AC) jarang dan bahkan tidak digunakan. Keuntungan dari FCAW 1. Tingkat proses deposisi yang tinggi 2. FCAW merupakan pengelasan yang bisa dikerjakan pada semua posisi Electrode yang digunakan yaitu flux cored dimana fluks dari elektrode akan menciptakan selubung perlindungan (self shielded) 3. Bisa dikerjakan secara otomatis dan semi otomatis 4. Hemat Elektrode II.3 Preheat Preheat merupakan pemanasan terhadap logam induk sesaat sebelum pengelasan. Semua proses pengelasan busur dan proses pengelasan yang lain menggunakan sumber panas temperatur tinggi. Perbedaan temperatur terjadi diantara daerah yang
mengalami pemanasan akibat busur dengan logam induk yang dingin. Perbedaan temperatur menyebabkan perbedaan ekspansi termal, kontraksi dan tegangan tinggi. Hal-hal tersebut dapat diminimalisasikan dengan mengurangi perbedaan temperatur. Ini juga akan mengurangi terjadinya retak las, mengurangi harga kekerasan maksimum, mencegah terjadinya distorsi dan membantu gas hidrogen untuk keluar dari logam/material. Preheat akan mengurangi perbedaan tersebut dan dengan sendirinya akan mengurangi masalah pengelasan yang lain. Temperatur preheat tergantung pada komposisi dan massa dari logam induk, temperatur ambient dan prosedur pengelasan. Temperatur interpass juga harus diperhatikan diamana temperatur ini penting untuk pengelasan multipass. Biasanya temperatur interpass sama dengan temperatur preheat II.4 Post Weld Heat Treatment (PWHT) PWHT adalah bagian dari proses heat treatment yang bertujuan untuk menghilangkan tegangan sisa yang terbentuk setelah proses pengelasan selesai. Material terutama carbon steel akan mengalami perubahan stryktur dan grain karena effect dari pemanasan dan pendinginan. Struktur yang tidak homogen ini menyimpan banyak tegangan sisa yang membuat material tersebut memiliki sifat yang lebih namun ketangguhannya lebih rendah. Yang harus diperhatikan dalam PWHT yaitu: Proses PWHT dapat dilakukan dengan dua cara yaitu memasukkan benda uji kedalam dapur atau melakukan pemanasan setempat localized didekat daerah pengelasan saja. Metode mana yang akan dilakukan lebih bersifat kepada pertimbangan ekonomis saja. Parameter parameter dalam PWHT yang perlu dijaga adalah: 1. Heating rate 2. Holding temperature 3. Cooling Rate III. METODOLOGI 4
2.
3. 4. 5. 6. 7.
Metode Penelitian Dalam penelitian ini digunakan metode pengujian tarik menggunakan ASTM Vol. 3 A370-03a. Pada penelitian ini dilakukan prosedur percobaan sebagai berikut :
1. Persiapan spesimen dimana dibuat 7 spesimen untuk 7 macam proses: • Spesimen dengan pengelasan SAW • Spesimen dengan pengelasan SAW dengan Preheating 200 ̊C • Spesimen dengan pengelasan SAW dengan PWHT 600 ̊C • Spesimen dengan pengelasan SAW dengan Preheat 200 ̊C dan PWHT 600 ̊C • Spesimen dengan pengelasan FCAW dengan Preheat 100 ̊C • Spesimen dengan pengelasan FCAW dengan PWHT 500 ̊C
• Spesimen dengan pengelasan FCAW dengan Preheat 100 ̊C dan PWHT 500 ̊C Proses pengelasan dengan menggunakan Flux Cored Arc Welding dan Submerged Arc Welding Pemotongan spesimen uji Pengujian Tarik Pengumpulan data Analisa data dan pembahasan Hasil percobaan
IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Pengujian Uji Tarik Dari hasil pengujian spesimen uji tarik yang telah dilakukan maka perhitungan besar tegangan tarik dari setiap spesimen yang sudah dilakukan pengelasan dengan perlakuan panas preheat dan PWHT adalah sebagai berikut: Besar tegangan tarik untuk spesimen yang dilas menggunakan pengelasan SAW dengan perlakuan panas Preheat dan PWHT dapat dilihat pada persamaan (4.1) seperti di bawah ini: 1. Specimen dengan pengelasan SAW tanpa perlakuan panas (M.1)
P W T CSA
σt =
= 107000 N = 14,32 mm = 12,33 mm =Wxt = 14,32 mm x 12,33 mm = 176,56 mm2
P CSA
= 606,02 N/mm2 2. Specimen dengan pengelasan SAW dengan preheating 200 0C (M.2)
P W
= 112200 N = 14,09 mm 5
T = 12,37 mm CSA = W x t = 14,09 mm x 12,37 mm = 174,29 mm2
σt =
Dari perhitungan hasil pengujian tarik di atas dapat dijelaskan lebih ringkas dalam Tabel 4.1 dibawah ini .
P CSA
= 643,75 N/mm2 3. Specimen dengan pengelasan SAW dengan PWHT 600 0C (M.3)
P W T CSA
σt =
= 109000 N = 14,26 mm = 12,39 mm =Wxt = 14,26 mm x 12,39 mm = 176,68 mm2
P CSA
= 616,93 N/mm2
4. Specimen dengan pengelasan SAW dengan Preheat 200 0C +PWHT 600 0C (M.3)
P W T CSA
σt =
= 108200 N = 14,18 mm = 12,35 mm =Wxt = 14,18 mm x 12,35 mm = 175,12 mm2
Gambar 3.1 Grafik hasil pengujian Uji Tarik pada pengelasan SAW
• (a) Specimen dengan pengelasan SAW tanpa perlakuan panas • (b) Specimen dengan pengelasan SAW dengan preheat 200 0C • (c) Specimen dengan pengelasan SAW dengan PWHT 600 0C • (d) Specimen dengan pengelasan SAW dengan preheat 2000C + PWHT 600 0C Besar tegangan tarik untuk spesimen yang dilas menggunakan pengelasan FCAW dengan perlakuan panas Preheat dan PWHT dapat dilihat pada persamaan (4.2) seperti di bawah ini: 1. Specimen dengan pengelasan FCAW dengan preheat 100 0C (M.5)
P CSA
= 617,86 N/mm2 P
= 108000 N 6
W = 14,20 mm T = 12,12 mm CSA = W x t = 14,20 mm x 12,12 mm = 172,104 mm2
σt =
Dari perhitungan hasil pengujian tarik di atas dapat dijelaskan lebih ringkas dalam Tabel 4.2 dibawah ini
P CSA
= 627,52 N/mm2 2.
Specimen dengan pengelasan FCAW dengan PWHT 500 0C (M.6)
P W T CSA
= 106000 N = 14,22 mm = 12,42 mm =Wxt = 14,22 mm x 12,42 mm = 176,612 mm2
P σt = CSA = 600,18 N/mm2 3.
Specimen dengan pengelasan FCAW dengan Preheat 1000C+PWHT 500 0C (M.7)
P W T CSA
σt =
= 106500 N = 14,25 mm = 12,31 mm =Wxt = 14,25 mm x 12,31 mm = 175,417 mm2
P CSA
= 607,12 N/mm2
Gambar 3.2 Grafik hasil pengujian Uji Tarik pada pengelasan FCAW
• (a) Specimen dengan pengelasan FCAW tanpa preheat 100 0C • (b) Specimen dengan pengelasan FCAW dengan PWHT 500 0C • (c) Specimen dengan pengelasan FCAW dengan preheat 1000C + PWHT 500 0C 4.2 Pembahasan 4.2.1 Hasil pengujian kuat tarik Dari data pengujian tarik yang telah dilakukan seperti yang terdapat dalam Tabel 4.1 dan 4.2 maka dapat disimpulkan besar tegangan tarik dari masing-masing spesimen yang sudah dilakukan pengelasan dengan perlakuan panas adalah sebagai berikut: • Material yang dilas menggunakan SAW dengan perlakuan panas preheat dan PWHT tegangan tarik rata-ratanya 621,14 N/mm2 • Material yang dilas menggunakan FCAW dengan perlakuan panas preheat dan PWHT tegangan tarik rata-ratanya 611,60 N/mm2. 7
• Hasil dari persamaan 4.1 dan 4.2 diatas yaitu, material yang dilas dengan perlakuan panas preheat hasil tegangan tariknya lebih besar dibandingkan dengan spesimen yang dilas dengan perlakuan panas PWHT atau perlakuan panas preheat + PWHT, dikarenakan pengaruh dari PWHT tersebut merubah struktur dari material sehingga menjadi lebih lunak dan mudah patah. V.
Musaikan, Ir. H. 1992. “Teknik Pengelasan”. Edisi pertama. Surabaya: ITS
ANALISA DAN PEMBAHASAN
5.1 Kesimpulan Dari pengujian-pengujian yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: • Pada plat SS400 yang dilas menggunakan SAW dengan perlakuan panas preheat dan PWHT didapatkan tegangan tarik yang lebih besar dibandingkan dengan pengelasan menggunakan FCAW dengan perlakuan panas preheat dan PWHT. • Pengaruh preheat pada plat SS400 yang sudah dilas yaitu tegangan tariknya menjadi lebih tinggi dibandingkan dengan spesimen yang mendapatkan perlakuan panas PWHT, dikarenakan pengaruh dari PWHT merubah struktur material menjadi lebih lunak sehingga lebih cepat putus. • Proses perlakuan panas berupa preheat dan PWHT dapat mengubah tegangan tarik didaerah pengelasan. • Pada penelitian ini pengelasan pada plat SS400 dapat menghasilkan sambungan las yang cukup baik dengan menggunakan perlakuan panas preheat DAFTAR PUSTAKA
Wiryosumarto, Harsono, Prof. Dr. Ir. 1994. “Teknologi Pengelasan Logam”. Edisi keenam. Jakarta: Pradnya Paramita. Lancaster, J.F. 1993. “Metallurgy Of Welding”. 5th Edition. London: Chapman & Hall 8
9
