ANALISA TEGANGAN SISA ALUMINIUM TIPE 5083 PADA HASIL PENGELASAN GMAW DENGAN PERLAKUAN PANAS Bakhtiar (1), Murdjito(2), Gatot Dwi Winarto(3) (1)
Mahasiswa Teknik Kelautan Staf Pengajar Teknik Kelautan
(2),(3)
ABSTRAK
Aluminium 5083 banyak digunakan untuk pembuatan kapal kecil, seperti kapal patroli atau kapal perang. Pengelasan Gas Metal Arc Welding (GMAW) merupakan las yang paling umum digunakan dalam struktur kapal. Pada saat fabrikasi, pengelasan yang terjadi akan menimbulkan tegangan sisa (residual stress). Perlakuan panas (annealing) dapat menurunkan nilai tegangan sisa hasil dari proses pengelasan sebelumnya. Perlakuan panas dilakukan pada hasil pengelasan aluminium 5083 dengan dimensi 300 mm x 150 mm x 12 mm dengan proses pengelasan GMAW. Variasi perlakuan panas dalam proses annealing ini dilakukan pada suhu 300 0C dan holding time 1jam, 2jam, dan 3jam. Perubahan mikrostruktur diamati dilaboratorium sedangkan perhitungan tegangan sisa menggunakan metode elemen hingga. Pada hasil akhir penelitian didapatkan penurunan nilai tegangan sisa sebesar 54.86% pada perlakuan panas 300 oC dengan holding time tiga jam, 36.05% pada perlakuan panas 300 oC dengan holding time dua jam, 17.87% pada perlakuan panas 300 oC dengan holding time satu jam. Nilai terkecil pengujian tarik sebesar 275N/mm2 dan putus di daerah weld metal, dengan batas minimal 261.25/mm2. Pengujian mikrostruktur mendapatkan ukuran butiran
grain sebesar 7.283 ASTM.
Persentase kandungan struktur butiran Al 76.21% dan Mg5Al8 23.79% didaerah weld metal pada pada perlakuan panas 300 oC dengan proses holding time tiga jam dan Ultimate Streses 262.84 Mpa.
Kata kunci : GMAW, Aluminium 5083, mikrostruktur, Perlakuan panas, Tegangan sisa.
merupakan proses penyambungan antara dua 1.
PENDAHULUAN
bagian logam atau lebih dengan menggunakan
Banyak kebutuhan akan armada kapal. Salah satu tolak ukur dalam perkembangan kapal di Indonesia dimulai dari skala kecil sampai dengan skala besar, yang digunakan untuk pembangunan kapal baru yang cukup banyak. Proses
pengelasan
energi panas. Karena proses ini maka didaerah sekitar lasan mengalami siklus termal cepat yang menyebabkan
terjadinya
perubahan-perubahan
metalurgi yang rumit, deformasi dan tegangantegangan termal. Selama pengelasan, daerah di
adalah
hal
yang
umum
digunakan pada industry maritim. Pada struktur bangunan laut (offshore structures), baik struktur terpancang (fixed structure) maupun struktur terapung (floating structure) dan struktur kapal (ship structures) dalam setiap tahap pengerjaannya selalu terdapat proses pengelasan. Pengelasan
bawah logam las akan mengalami pemuaian, sedangkan
daerah
dibawahnya
mencoba
menahannya. Bagian yang memuai itu akan mengalami tegangan tekan sedangkan daerah dibawahnya melawan dengan tegangan tarik. Sebaliknya, selama proses pendinginan, daerah dibawah logam las mengalami tegangan tarik dan
daerah dibawahnya d m melawannya d dengan tekanaan.
Aluminium A dann paduan alum minium termassuk logam
Tegangann yang demikkian ini disebuut tegangan sisa.
rin ngan yang mempunyai m kkekuatan ting ggi, tahan
Daerah lasan terdiri dari d tiga bagiian yaitu logaam
teerhadap korossi dan meruppakan konduk ktor listrik
lasan, daaerah pengaruuh panas ataau daerah HA AZ
yaang cukup baaik. Logam iini dipakai seecara luas
(heat affe fected zone) dan d logam innduk yang tiddak
daalam bidang kimia, k listrik, bangunan, trransportasi
terpengarruh proses laas. Logam lass adalah bagiian
daan alat – alat penyimpanan. p
dari logaam yang padaa waktu penggelasan menccair dan kem mudian membbeku. Daerahh HAZ adallah logam daasar yang berrsebelahan deengan logam las yang selaama proses pengelasan p mengalami sikllus termal peemanasan dann pendinginann cepat. Logaam induk adaalah bagian loogam dasar di mana panas dan d suhu penngelasan tidaak menyebabbkan terjadinnya perubahaan-perubahan struktur dann sifat. Sikllus termal addalah proses pemanasan dann pendinginann di daerah laasan. Lamanyya pendinginaan dalam suaatu
Paaduan aluminnium dapat diklasifikasik kan dalam tig ga cara, yaittu berdasarkaan pembuatan n, dengan kllasifikasi
paaduan
cor
dan
paduan n
tempa,
beerdasarkan perlakuan pannas dengan klasifikasi k daapat dan tidaak dapat dipeerlaku – panaaskan dan caara ketiga yanng berdaskan unsur – unsu ur paduan yaaitu: Al murrni (1xxx), A Al-Cu (2xxx x), Al-Mn (3 3xxx), Al-Si (4xxx), Al-M Mg (5xxx), Al-Mg-Si (6 6xxx), dan Al--Zn (7xxx).
daerah teemperatur terttentu dari suaatu siklus term mal las sanggat mempenggaruhi kualittas sambungaan. Karena ittu banyak sekali usaha-ussaha pendekattan untuk menentukan m laamanya wakktu pendinginnan tersebut. Salah satu caara untuk menngendalikan laaju pendinginnan tersebut adalah denngan perlakuuan panas.
D Dalam tugass
akhir inii akan dilihhat
bagaimannakah pengaaruh dari peerlakuan pannas terhadap perubahan struktur s mikroo dan teganggan sisa dari hasil pengeelasan dengann menggunakkan G metode GMAW
2..2. Gas Metall Arc Weldingg (GMAW) Nama N lain darii proses pengeelasan ini adaalah metal in net gas (MIG G) dimana kkawat elektro oda yang diigunakan tidaak terbungkuus dan sifat suplainya yaang terus-mennerus. Daerahh lasan terlin ndung dari attmosphere melalui gas yangg dihasilkan daari alat las teersebut,seperti terlihat padaa gambar 2.4. (Genculu, 20 007). Gas pellindung yang digunakan adalah a gas Argon, A helium atau campuraan dari keduan nya. Untuk memantapkan m busur kadangg-kadang ditaambahkan gaas O2 antara 2 sampai 5% atau CO2 antara 5
AR TEORI 2. DASA
saampai 20% (W Wiryosumarto,, 1996).
2.1. Alum minium. Aluminiuum, logam yanng memiliki rumus r kimia Al dikenal sebagai s logam m yang ringann dan memilliki ketahanann korosi tingggi terhadap udaara , air, oli, dan d beberapa cairan kimiaa. Massa jenissnya sekitar 1/3 1 dari bajaa atau tembbaga. Karenaa keistimewaaan sifatnya itu, i paduan aluminium a bannyak digunakkan sebagai struktur suatu konstruksi unntuk menguranngi beban ataau beratnya.
Gbr. 1 Peengelasan GM MAW atau MIG M
2.3. Heatt Input
Peengembangann pada C dittahan oleh daerah d A,
Dalam peengelasan, unntuk mencairkkan logam indduk
seehingga pada daerah C terjadi tegangan tekan dan
dan logam m pengisi dipperlukan enerrgi yang cukuup.
paada daerah A terjadi teganngan tarik. Tetapi T bila
Energi yaang dihasilkann dalam opeerasi pengelassan
daaerah A luasnnya jauh lebiih besar dari C, maka
berasal
dari
sumber
yaang
paada daerah C akan terjadi pperubahan ben ntuk tetap,
pengellasannya.
Paada
seedangkan padaa daerah A teerjadi perubah han bentuk
pengelasaan busur listriik, sumber eneergi berasal dari d
ellastis. Pada waktu w pengelaasan selesai, terjadilah
listrik yaang diubah menjadi m energi panas. Enerrgi
prroses pendingginan di manna bagian C menyusut. m
panas
d dari
Peenyusutan inii ditahan olehh daerah A, karena k itu
parameter arus las, tegangan t las, dan kecepattan
paada daerah C akan terjaddi tegangan tarik t yang
pengelasaan. Parameteer ketiga yaitu y kecepattan
diiimbangi oleh tegangan tekaan pada daeraah A.
tergantunng
inni
bermaccam-macam
pada
prroses
sebenarnnya
hasil
k kolaborasi
pengelasaan ikut memppengaruhi energi pengelassan karena prroses pemanaasannya tidakk diam ditemppat akan tetappi bergerak deengan kecepattan tertentu. Kualitas hasil pengelaasan dipengarruhi oleh enerrgi panas yanng berarti dippengaruhi jugga oleh arus las, tegangan dan kecepaatan pengelasan. Hubunggan antara keetiga parametter itu mengghasilkan enerrgi pengelesaan yang dikkenal dengaan heat inpput. Persamaaan heat inpuut dapat dituuliskan sebaggai Gbr. 2 Pembentukan P n tegangan siisa
berikut; H = Teg. Laas x Arus Las HI
2..5. Heat Treaatment
Kec.. Pengelasan
Heat H treatmennt adalah meetode yang digunakan d un ntuk mengubbah sifat fissik dan kim mia suatu
2.4. Tegaangan Sisa
material. m Aplikkasi yang paliing umum ad dalah pada
Dalam proses p pengglesan, bagiaan yang dilas menerimaa panas penggelasan setem mpat dan selam ma proses berjalan suhunnya berubah terus sehinggga distribusii suhu tidak merata. m Karenaa panas tersebbut, maka padda bagian yang dilas terjadii pengembanggan termal. Sedangkan bagian b yangg dingin tiddak berubah
sehingga
terbentuk
penghalanggan
pengembangan. Hal inilah yangg menimbulkkan tegangan sisa. Teganggan sisa yangg terjadi kareena pengelasaan ini dapat dibagi d dalam dua kelompook, yaitu : teegangan sisa pada p bagian konstruksi k yaang bebas dann tegangan sisa oleh adanyya halangan dari d luar (Wiiryosumarto, 1996). Terjaadinya teganggan sisa ini dapat d dilihat dalam gambaar 2.3. di maana daerah C mengembanng pada wakktu pengelasaan.
lo ogam. Perlakuuan panas juuga digunakan dalam peembuatan berrbagai materi lainnya, sep perti kaca. Heat H
treatmeent
melibatkkan
pemanassan
atau
peendinginan unntuk mencapaai hasil yang diinginkan d seeperti pengeraasan atau peluunakan materiaal. Teknik peerlakuan
paanas
melipuuti,
annealin ng,
case
ha ardening, preecipitation strrengthening, Tempering T daan quenching.. Heat treatmeent hanya berllaku untuk prroses di manaa pemanasan dan pendingiinan yang diilakukan untuuk tujuan khhusus untuk mengubah m prroperti materrial, pemanaasan dan peendinginan seering terjadi secara kebetulan selam ma proses manufaktur m laiin seperti pem mbentukan panas p atau
mengelas. Berikut ini adalah berbagai jenis teknik
pertimbangan lain, pendinginan dapat dilakukan
perlakuan panas yang sering dilakukan:
dengan udara paksa atau gas lain (seperti nitrogen),
1. Annealing
minyak, polimer yang dilarutkan dalam air, atau air
Anealling adalah suatu teknik yang digunakan
garam. Setelah menjadi didinginkan dengan cepat,
untuk tegangan dalam logam. Anealling biasanya
sebagian dari austenit (tergantung pada komposisi
menghasilkan material yang lebih ulet dan lunak.
paduan) akan berubah menjadi martensit yang keras
Ketika material yang diberi perlakuan annealing
getas. Kekerasan dari metal yang diquenching
didinginkan di dalam furnace, hal ini disebut
tergantung pada komposisi kimia dan metode
dengan annealing penuh. Apabila material yang
pendinginan. Pendinginan baja tertentu apabila
diberi perlakuan annealing didinginkan di udara
terlalu cepat dapat mengakibatkan retak, dan itu
bebas, hal ini disebut normalizing heat treatment.
sebabnya baja kekuatan tinggi seperti AISI 4.140
Selama annealing, butiran butiran yang kecil
harus didinginkan dalam minyak. Namun, logam
terekristalisasi untuk membentuk butiran yang
austenistik seperti stainless steel (304, 316), dan
berukuran lebih besar.
tembaga, menghasilkan efek yang berlawanan
2. Case hardening
ketika
Case hardening adalah sebuah proses di mana
diannealing untuk menjadi tahan korosi.
diquenching,
material
tersebut
harus
sebuah elemen paduan, paling sering karbon atau nitrogen, berdifusi ke permukaan logam monolitik.
2.6 Uji Tarik
Hal ini akan menghasilkan interstitial solid solution
Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain mekanik
yang lebih keras daripada logam dasarnya, hal ini
yang bertujuan untuk mengetahui kekuatan bahan
akan meningkatkan ketahanan tanpa mengorbankan
terhadap
ketangguhan.
mengetahui berapa besar nilai kekuatannya dan
3. Precipitation strenghtening
dimanakah letak putusnya suatu sambungan las.
Beberapa logam diklasifikasikan sebagai logam
Pembebanan
dengan pengerasan presipitasi. Ketika logam
diberikan pada benda dengan memberikan gaya
dengan pengerasan presipitasi diberi perlakuan
tarik pada arah yang berlawanan arah pada salah
quenching,
akan
satu ujung benda. Penarikan gaya terhadap beban
terperangkap dalam campuran dan menghasilkan
akan mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk
logam yang lunak. Penuaan sebuah material
(deformasi) bahan tersebut. Proses terjadinya
"solutionized" akan memungkinkan unsur-unsur
deformasi pada bahan uji adalah proses pergeseran
paduan untuk menyebar melalui mikrostruktur dan
butiran
membentuk
Partikel
lemahnya gaya elektromagnetik setiap atom logam
intermetalik ini akan bernukleasi dan keluar dari
hingga terlepas ikatan tersebut oleh penarikan gaya
solusi dan bertindak sebagai fase penguat, sehingga
maksimum. Pada pengujian tarik beban diberikan
meningkatkan kekuatan paduan.
secara kontinu dan pelan-pelan bertambah besar,
4. Quenching
bersamaan dengan itu dilakukan pengamatan
Dalam pengkerasan dengan quenching, sebuah
mengenai perpanjangan yang dialami benda uji dan
logam (biasanya baja atau besi cor) harus
dihasilkan kurva tegangan-regangan.
semua
elemen
partikel
paduannya
intermetalik.
dipanaskan ke dalam fase austenitik dan kemudian segera didinginkan. Tergantung pada paduan dan
gaya
tarik.
tarik
kristal
Pengujian
adalah
logam
tarik
pembebanan
yang
untuk
yang
mengakibatkan
Gbr. 3 Grafik Uji Tarik Gbr. 4 Struktur mikro AA5083 2.7 Struktur Mikro Aluminium Struktur mikro adalah bahan dalam orde kecil (mikro). Adapun manfaat dari pengamatan struktur
1. Untuk mempelajari hubungan antara sifatsifat bahan dengan struktur dan cacat pada
Pada dasarnya elemen hingga merupakan bagian – bagian kecil dari struktur yang aktual akan tetapi dalam pembentukan elemen – elemen tersebut
bahan. 2. Untuk memperkirakan sifat bahan jika
alat
yang
digunakan
harus
memperhatikan
nodal
forces
sehingga
didapatkan berbagai ragam deformasi elemen.
hubungan tersebut sudah diketahui. beberapa
Metode elemen hingga adalah prosedur numerik untuk memecahkan masalah mekanika kontinum.
mikro sendiri adalah:
Ada
2.8. Metode Elemen Hingga
untuk
mengamati struktur mikro ini, yaitu: mikroskop cahaya, mikroskop elektron, mikroskop field-on, mikroskop field emission, dan mikroskop sinar-X. Hasil dari pengamatan struktur mikro ini akan diperlihatkan berbagai fase untuk diidentifikasi. Penyebaran dan bentuk fase dapat dipelajari dan jika sifat-sifatnya diketahui dapat digunakan untuk mengetahui informasi-informasi tentang sifat-sifat spesimen. Namun pada saat ini akan dilakukan pengamatan struktur mikro pada suatu specimen. Pada pengamatan struktur mikro umumnya yang diamati adalah ukuran butiran, bentuk butiran dan larutan padat yang terbentuk, semakin halus dan kecil bentuk butiran, kekuatan mekanis akan bertambah baik. Larutan padat yang tersebar
Keunggulan dari metode elemen hingga adalah jaringan elemen – elemen yang terbentuk sangat dekat dengan struktur aktual yang akan dikaji. Disamping keunggulan metode elemen hingga juga memiliki kelemahan yaitu hasil dari analisa yang ada berupa numerik bukan suatu persamaan bentuk tertutup yang dapat dipakai dalam memecahkan berbagai kasus. Penentuan tegangan dengan metode elemen hingga didasarkan
pada
perhitungan
regangan
pada
komponen yang diperoleh dari hasil penggabungan dari regangan tiap elemen. Untuk menyelesaikan distribusi regangan dalam komponen digunakan perumusan
dan
model
matematik
distribusi
regangan dengan menggunakan prinsip energi potensial minimum pada elemen.
merata, maka kekuatan tariknya akan bertambah baik pula.
Untuk menghitung besarnya tegangan sisa yang dihasilkan
dalam
proses
pengelasan,
dapat
menggunakan program ANSYS Multiphysic. Pada program ini diawali dengan pembuatan model. Setelah pemodelan selesai, maka tahap selanjutnya adalah proses pembebanan. Jenis pembebanan yang
digunakan adalah beban thermal. Dari pembebanan tersebut, nantinya akan didapatkan hasil berupa distribusi panas, tegangan sisa.
3. PENGERJAAN 3.1. Pembuatan Spesimen Spesimen yang digunakan adalah aluminium 5083 yang memiliki ketebalan 12 mm. Sedangkan jenis bevel yang digunakan adalah single V groove. Jumlah spesimen yang dibuat sebanyak empat
Gbr 6. Pengukuran suhu
buah. Peralatan yang diperlukan untuk pembuatan
3.4. Perlakuan Panas
spesimen ini adalah gerinda, meja kerja, penjepit
Setelah
benda kerja dan meteran.
proses
pengelasan
spesimen
diperlakupanaskan pada suhu 300
akan
o
C dengan
holding time yang bervariasi, 1 jam, 2 jam, dan 3 3.2. Proses pengelasan GMAW
jam. Setelah selesai dilakukan pendinginan sampai
Pengelasan kali ini menggunakan las jenis GMAW
suhu kamar.
dengan gas pelindung yang digunakan adalah jenis gas Argon dan menggunakan jenis elektroda ER5356
diameter 1.2 mm. Parameter yang
digunakan V = 21 Volt, I = 127 A.
Gbr 7. Oven 3.4. Uji metallographic Pada tahap analisa metallographic, langkah yang harus dilakukan adalah : 1.
dengan ukuran 60 mm x 10 mm x 12 mm.
Gbr 5. Proses Pengelasan Proses pengelasan diawali dengan pembuatan tack
Cutting : pemotongan sampel spesimen
2.
Grinding : meratakan dan menghaluskan
weld pada ujung – ujung material sebagai
permukaan
penyambung material agar tidak bergeser saat
menggosokkan pada kertas amplas.
dilakukan pengelasan full length seperti terlihat
3.
sampel
dengan
cara
Polishing : bertujuan untuk mendapatkan
pada gambar 3.3. Setelah pengelasan full length
permukaan sampel yang mengkilat seperti
selesai, dilakukan pengukuran suhu hasil lasan
cermin dengan cara menggosokkan pada kain halus yang sebelumnya sudah ditaburi polishing powder.
4.
Etching : dengan cara mencelupkan pada
Pemodelan ANSYS:
larutan kimia (1mL HF, 200mL H2O) selama beberapa detik. 5.
Melakukan
pengamatan
menggunakan
mikroskop electron dengan pembesaran 200x
3.5. Analisa tegangan sisa Ada beberapa langkah untuk melakukan analisa tegangan sisa pada program ANSYS, yaitu : •
Pembuatan model
•
Memasukkan material properties (poisson ratio, yield strenght, modulus Young,
tetap
•
Meshing
•
Pembebanan
thermal
(transient)
yang
akhir
yang
diperoleh
pada
sambungan-Butt.
Pola
distribusi
tegangan menunjukkan harga tegangan sisa pada daerah HAZ dan berangsur berkurang pada material
menghasilkan output thermal stress Output
missed stress) tersebut dapat diamati posisi titik node) dan harga tegangan maksimum yang terjadi
densitas, thermal conductivity, dll)
•
Berdasarkan pola distribusi tegangan total (von
adalah
induk.
residual stress dan distorsion Struktur Mikro
Gambar 3.6. Pemodelan spesimen. Dari hasil uji mikro didapatkan ASTM Grain 4. HASIL dan PEMBAHASAN Dari percobaan yang sudah dilakukan, didapatkan
sebesar 7.283. Percentase Al 76.21% dan Mg5Al8 23.79%.
beberapa hasil pada tabel di bawah ini. Uji Tarik:
5.
DAFTAR PUSTAKA
Althouse, Andrew D., 1984, Modern Welding , 5th Edition, South Holland Illinois, The Goodheart Willcox Company, Inc. ANSYS
11 Documentation, ANSYS Theory Reference
Anam, 2008. “ Analisa Perilaku Tegangan Sisa Dan Sudut Distorsi Pada Sambungan Fillet Dengan Variasi Tebal Pelat Menggunakan Metode Elemen Hingga”. ITS ASME. 2001. American Society of Mechanical Engineers Section IX. USA, The American Society of Mechanical Engineers ASTM, 2003, Annual book of ASTM standart vol 03.1 01, Philadhelphia, ASTM publishing Bandriyana, 2006. “Perhitungan Distribusi Tegangan Sisa dalam Pengelasan Sambungan–T Pada System Pemipaan”. Prosiding Semiloka Teknologi Simulasi dan Komputasi serta Aplikasi 2006. Bradley, GR., James, MN. 2000. “Geometry and Microstructure of Metal Inert Gas and Friction Stir Welded Aluminium Alloy 5383-H321”. Genculu, Semih. 2007. Structural Steel Welding. Dakota : PDH Center. Hastuti, Farida Tri. 2010. “0analisa Pengaruh Pengelasan Fcaw Pada Sambungan Material Grade A Dengan Material Grade Dh 36”. Perdana
Putra, Yudhistira. 2005. “Analisa Tegangan Sisa dan Distorsi pada Penngelasan Fillet T-Joint denngan Metode Elemen Hingga”. Tugas Akhir. Jurusan Teknik Material & Metalurgi. Fakultas Teknologi Industri. ITS. Surabaya. Pilipenko, A. 2001. Computer simulation of residual stress and distortion of thick plates in multi-electrode submerged arc welding_their
mitigation
techniques.
Thesis. Department of Machine Design and Materials Technology Norwegian University of Science and Technology N-7491 Trondheim. Norway. Suherman. “Ilmu Bahan I”. Diktat Jurusan Teknik Masin Fakultas Industri. ITS Sunaryo, Hery. 2007. Teknik Pengelasan Kapal. Jilid I. Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan.
Wiryosumarto, Harsono dan Toshie Okumura. 1994. Teknologi Pengelasan Logam. PT.Pradnya Paramita: Jakarta.
