BAB II TINJAUAN PUSTAKA Proses pengelasan bawah air merupakan salah satu teknik yang digunakan untuk mereparasi atau memperbaiki kerusakan yang terjadi pada badan kapal, bangunan lepas pantai, penyambungan pipa-pipa minyak dan gas bumi maupun konstruksi-konstruksi lainnya yang terendam air. Namun bagi Indonesia pengelasan bawah air masih merupakan hal yang asing sehingga dengan penelitian ini dapat memberikan kontribusi bagi industri maupun masyarakat luas. Kontribusi yang diberikan dengan melakukan pengelasan bawah air menggunakan metode pengelasan SMAW dan menganalisa pengaruhnya terhadap hasil pengelasan. Pada proses ini banyak faktor yang mempengaruhi hasil pengelasan seperti proses pengelasan, besarnya arus listrik yang digunakan, jenis elektroda untuk mengelas, bahkan pengaruh air tawar atau air laut terhadap struktur makro dan mikro daerah Heat Affected Zone (HAZ) dan sifat mekanik secara umum. 2.1 Pengelasan Bawah Air (Underwater Welding) Proses pengelasan bawah air dapat diklasifikasikan menjadi dua, yakni: 1. Pengelasan kering (dry welding) 2. Pengelasan basah (wet welding) 2.1.1 Pengelasan kering (Dry Welding) Proses pengelasan ini berlangsung dalam keadaan kering, tidak ubahnya seperti pengelasan di udara terbuka. Hal ini dapat dilakukan dengan bantuan suatu sungkup atau ruang kedap air (dry chamber) yang bertekanan tinggi sesuai dengan kedalamannya sehingga air tidak mungkin masuk. Cara ini lebih dikenal dengan istilah “Hyperbaric Welding”. Metoda pengelasan
4
5
kering memberikan hasil sambungan yang baik tetapi biaya tinggi karena harus meyediakan ruangan yang kedap air dan bertekanan tinggi agar proses pengelasan dapat berlangsung dalam keadaan kering. Gambar 2.1 dan 2.2 merupakan contoh desain ruang kedap air berdasarkan banyaknya welder.
Gambar 2.1 Desain ruang kedap air untuk satu welder
Gambar 2.2 Desain ruang kedap air untuk lebih dari dua welder
6
Gambar 2.3 merupakan contoh dry hyperbaric weld yang biasanya digunakan dengan keterangan setiap nomernya sebagai berikut : 1. Full encirclement reinforcing saddle 2. Valve assembly for connecting pipeline 3. Preheat blanket 4. Welder’s hood 5. Topside dive station box with knife switch, volt and amp meters, and radio for communications 6. Trunk line (main pipeline)
Gambar 2.3 Dry hyperbaric weld chamber Proses pengelasannya adalah pada waktu terjadi hubungan singkat antara elektroda las dan benda kerja, terjadilah aliran arus listrik yang sangat besar dan menghasilkan temperatur
7
yang cukup tinggi. Dalam waktu yang sangat singkat media yang ada (dalam hal ini udara) diantara elektroda las dengan benda kerja akan terionisasi sebagai akibat temperatur yang sangat tinggi tersebut. Media yang terionisasi tersebut akan membentuk saluran ion yang bersifat sebagai penghantar listrik (konduktor). Akibatnya, arus listrik yang terjadi akan tetap mengalir melalui media konduktor tersebut walaupun kontak hubungan singkat sudah berakhir (elektroda dipisahkan dari benda kerja pada jarak tertentu). Maka terjadilah busur listrik dengan temperatur yang cukup tinggi yang justru dapat mempertahankan kondisi ionisasi tadi yang menyebabkan busur listrik dalam kondisi stabil yang dapat dimanfaatkan untuk melelehkan logam yang akan dilas. 2.1.2 Pengelasan basah (Wet Welding) Proses pengelasan ini berlangsung dalam keadaan basah, dalam arti bahwa elektroda las maupun benda kerja berhubungan langsung dengan air. Metoda pengelasan basah dengan menggunakan batang elektroda las (stick elektroda) pada SMAW, memberikan hasil yang kurang memuaskan, disamping memerlukan juru las yang memiliki keahlian menyelam yang tangguh dan memerlukan pakaian khusus selam, gelembung gas yang terjadi selama proses pengelasan sangat mengganggu pengamatan juru las. Pengelasan dengan las busur listrik (SMAW) dalam keadaan basah memungkinkan: • Busur listrik menjadi tidak stabil sehingga bentuk lasan tidak teratur dan terjadi banyak inklusi. • Lapisan fluks (terak) langsung terkelupas sehingga terak tidak berfungsi sebagaimana mestinya, kecuali bila pada elektroda yang akan digunakan, sebelumnya diberi perlakuan khusus. • Sambungan las mendingin dengan cepat sehingga kekerasan, terutama di daerah yang terkena pengaruh panas (HAZ), akan meningkat disertai penurunan keuletan dan ketangguhan.
8
• Terjadi kenaikan kandungan hydrogen dalam logam las sehingga mudah terjadi retak. • Terjadi struktur logam las yang relatif berbeda dengan struktur logam las jika proses pengelasan berlangsung pada kondisi atmosfir. • Jumlah endapan logam las relatif lebih rendah dibandingkan dengan pengelasan di udara. • Memerlukan arus yang lebih tinggi. • Makin rentan terhadap porositas. Gambar 2.4 merupakan contoh suatu proses perbaikan dengan melakukan wet underwater welding. Struktur yang akan diperbaiki, lihat Gambar 2.5, akan melalui proses pada Gambar 2.4, sedangkan Gambar 2.6 merupakan hasil dari struktur yang telah diperbaiki dengan menggunakan wet underwater welding.
Gambar 2.4 Proses wet underwater welding
9
Gambar 2.5 Struktur sebelum dilakukan wet underwater welding
Gambar 2.6 Struktur sesudah dilakukan wet underwater welding
10
Pada prinsipnya, pengelasan basah tidaklah berbeda jauh dengan pengelasan di udara terbuka. Yang menjadi perbedaan utama adalah media antara elektroda las dengan benda kerja yaitu air tawar atau air laut yang juga dapat mengalami proses ionisasi bila mengalami proses pemanasan yang tinggi. Dalam hal ini, air lebih bersifat konduktor daripada udara sehingga memungkinkan terjadi kebocoran arus ke sekelilingnya, akibatnya diperlukan arus yang lebih besar supaya proses las basah dalam air dapat berlangsung kontinyu. Untuk mengurangi kebocoran arus listrik, maka fluks yang ada pada elektroda diberi lapisan kedap air (waterproof coating). Pada waktu terjadi hubungan singkat antara elektroda las dengan benda keja, selain terjadi proses ionisasi dalam air yang akan membentuk saluran ion yang konduktif, terjadi juga gelembung gas disekitar kawah (weld pool) sebagai hasil dari proses disosiasi air dan gas-gas yang terbentuk sebagai akibat terbakarnya bahan fluks. Dalam kasus ini seolah-olah terjadi “mini hyperbaric welding process” yang memungkinkan terjadinya busur listrik yang sempurna. Namun tidak lama kemudian, gelembung gas ini membesar dan mengambang naik meninggalkan kawah las. Sebagai akibatnya busur listrik akan padam karena air masuk kedalam kawah las. Untuk memulainya lagi harus dilakukan hubungan singkat kembali dan demikian seterusnya. Dengan demikian karakteristik busur listrik dalam proses pengelasan basah tidak pernah stabil. Karena itu, pada proses pengelasan basah, selama proses pengelasan batang elektroda tidak boleh diangkat dari benda kerja bahkan harus selalu digoreskan pada benda kerja agar selalu dalam kondisi hubungan singkat hal ini dimaksudkan agar diperoleh busur listrik yang lebih stabil. Dengan kondisi busur listrik yang lebih stabil, diharapkan hasil pengelasan menjadi lebih baik.(4)
11
2.2 Shielded Metal Arc Welding (SMAW) 2.2.1 Prinsip SMAW Las busur elektroda terbungkus atau Shielded Metal Arc Welding (SMAW) adalah proses pengelasan dengan busur nyala listrik, dimana panas didapat dari busur nyala yang memancar antara elektroda dengan selubung fluks dan benda kerja. Elektroda, daerah busur nyala dan sekitar molten metal dilindungi dari pengotoran udara sekeliling dengan adanya gas yang terjadi karena pembakaran dan penguraian dari fluks. Sedangkan molten metal mendapat tambahan perlindungan dari adanya molten slag. Skema pengelasan SMAW dapat dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Prinsip kerja SMAW Pada pengelasan SMAW, elektroda yang digunakan adalah jenis elektroda terumpan atau sekaligus berfungsi sebagai logam pengisi (filler). Elektroda ini terbungkus oleh fluks. Pada saat elektroda mencair, fluks akan membentuk terak yang berfungsi melindungi logam cair terhadap udara disekitarnya (oksidasi). Disamping itu, pada saat elektroda mencair, fluks akan
12
menghasilkan selubung gas yang akan mencegah busur dari kontak dengan udara luar. Dengan adanya fluks, maka diharapkan hasil pengelasan tidak mengalami pengotoran oleh unsur luar bahkan fluks dapat menjadi unsur-unsur paduan.(12) 2.2.2 Peralatan SMAW Peralatan yang digunakan pada pengelasan manual SMAW adalah: 1. Sumber tenaga yang biasanya disebut mesin las 2. Elektroda holder serta kabel yang menghubungkan antara elektroda holder dengan mesin las (sumber tenaga) dan antara base metal dengan sumber tenaga.
Gambar 2.8 Skema peralatan SMAW(2) 2.2.3 Kondisi proses pengelasan Dalam proses pengelasan persiapan awal sangat penting agar dalam proses pengelasan tidak terjadi hambatan dan nantinya dapat dihasilkan lasan yang bagus dan bebas dari cacat seperti crack, porosity dan cacat yang terjadi akibat turut mencairnya logam pengisi pada groove dan bercampur dengan logam induk atau undercut. Kondisi-kondisi pengelasan juga mempengaruhi
13
ukuran daerah Heat Affected Zone (HAZ), ukuran bead, bentuk bead, kedalaman penetrasi dan juga komposisi kimia dari deposit material. 2.2.3.1 Arus dan polaritas elektroda Dalam pengelasan dengan menggunakan busur nyala listrik sebagai sumber panas, arus listrik yang digunakan dapat berupa arus bolak-balik (AC) ataupun arus searah (DC). Mesin las dengan arus bolak-balik banyak dipakai karena pertimbangan harga, mudahnya panggunaan dan sederhananya perawatan. Keunggulan mesin las arus searah adalah mantapnya busur yang ditimbulkan dan dapat dioperasikan dengan generator arus searah yang digerakkan dengan motor bakar. Pada pengelasan dengan arus bolak-balik, tidak terdapat masalah polaritas. Namun dalam pemakaian arus searah maka polaritas harus benar-benar diperhatikan sebelum mulai pengelasan, sebab pemakaian polaritas yang berlawanan dengan yang seharusnya dipakai untuk jenis elektroda tertentu akan mengakibatkan buruknya hasil pengelasan seperti nyala busur tidak stabil, reduksi gas berlebihan sehingga menimbulkan percikan dan gelembung gas Terdapat dua jenis polaritas pengelasan dalam mesin DC yaitu polaritas lurus (straight polarity) yang biasa disebut DCSP dan polaritas terbalik (reserve polarity) yang biasa dikenal dengan sebutan DCRP. Material yang akan dilas, jenis elektroda dan penetrasi adalah faktor-faktor yang mempengaruhi di dalam pemilihan polaritas. Yang dimaksud polaritas lurus (DCSP) ialah apabila tangkai las (holder) dihubungkan dengan kutub negatif dan klem las dihubungkan dengan kutub positif pada mesin las, biasanya disebut elektroda negatif. Sedangkan yang dimaksud polaritas terbalik (DCRP) ialah jika tangkai las (holder) dihubungkan dengan kutub positif dan klem dihubungkan dengan kutub negatif pada mesin las yang biasa disebut elektroda positif. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.9 dan 2.10.
14
Gambar 2.9 Skema polaritas terbalik (DCRP)
Gambar 2.10 Skema polaritas lurus (DCSP)(3) Pada pengelasan bawah air menggunakan sumber DCSP. Sifat elektron yang cenderung menuju positif searah dengan arah pelelehan elektoda dan menumbuk logam induk atau plat dengan
15
kecepatan tinggi menyebabkan penetrasi yang dalam. Karena pada elektroda tidak terjadi tumbukan elektron maka secara relatif temperatur elektroda tidak terlalu tinggi dengan persentase 30% pada elektroda dan 70% pada base metal, sehingga dengan polaritas ini dapat digunakan arus yang besar. Penetrasi yang paling dalam umumnya menggunakan DCRP polaritas yang baik dilihat dari keunggulannya yaitu tampilan permukaan, bentuk bead dan sifat resistant terhadap porosity arus searah. Polaritas DCSP sering digunakan untuk proses pengelasan baja yang dibatasi oleh sifat-sifat weldability. Pada gambar dibawah dapat dilihat perbedaan dari masing-masing variasi polaritas akan menghasilkan kedalaman penetrasi dan bentuk bead yang berbeda. Gambar 2.11 menunjukkan perbedaannya bahwa pada DCRP, penetrasi yang dihasilkan dalam dan weld depositnya kecil, sebaliknya bila DCSP, penetrasinya dangkal dan weld depositnya besar. Untuk AC, penetrasinya dalam tetapi tidak sedalam DCRP, weld depositnyapun besar tetapi tidak sebesar DCSP.
Gambar 2.11 Variasi polaritas DCSP, AC, DCRP pada sambungan(5) 2.2.3.2 Elektroda las Elektroda las adalah suatu logam pengisi yang dilelehkan untuk mengisi celah-celah pada sambungan yang akan dilas. Elektroda ini bermacam-macam jenisnya, tergantung dari material apa yang dilas dan cara pengelasan apa yang akan dilaksanakan.
16
Untuk tiap-tiap jenis pengelasan terdapat bermacam-macam elektoda sehingga pemilihan perlu dipertimbangkan bermacammacam faktor antara lain: • Harus diketahui jenis logam yang akan dilas • Tebal dan bentuk logam yang akan dilas. Logam yang tebal dengan desain yang sulit memerlukan kawat las yang bersifat kenyal (high ductility) • Bentuk sambungan • Posisi pengelasan • Spesifikasi teknis yang diharapkan • Jenis arus listrik yang tersedia Pada penelitian ini menggunakan elektroda jenis E 6013 dengan Ø2.6 mm, Ø3.2 mm dan Ø4.7 mm. Semua posisi pada elektroda jenis ini dapat digunakan, power supplynya dapat berupa AC atau DCRP atau DCSP, sedangkan tipe slagnya adalah Rutile (TiO2). 2.2.3.3 Voltase dan arus pengelasan Dalam pengelasan SMAW digunakan sumber tenaga constant current. Gambar 2.12 merupakan kurva yang menunjukkan hubungan antara voltase dan arus. Tingginya tegangan busur tergantung pada panjang busur yang dikehendaki dan jenis elektroda yang digunakan. Makin dekat jarak busur dengan benda kerja maka tegangan yang digunakan semakin kecil. Pada elektroda yang sejenis, tingginya tegangan busur yang diperlukan berbanding lurus dengan panjang busur. Pada dasarnya busur listrik yang terlalu panjang tidak dikehendaki karena stabilitasnya mudah terganggu sehingga hasil pengelasan tidak rata. Tingginya tegangan tidak banyak mempengaruhi kecepatan pencairan, sehingga tegangan yang terlalu tinggi hanya akan membuang-buang energi saja. Hal yang paling sulit dalam las busur listrik manual adalah mempertahankan panjang busur
17
agar selalu konstan. Oleh sebab itu pada pengelasan manual seperti SMAW digunakan constant current, pada Gambar 2.12 digambarkan oleh kurva yang steep slope (curam).
Gambar 2.12 Kurva ampere – voltase (2)
18
Gambar 2.13 Pengaruh besar arus, voltase dan kecepatan pengelasan (2) Parameter las yang memiliki pengaruh terhadap bentuk bead dan penetrasi diantaranya adalah arus, voltase, dan kecepatan pengelasan. Berbagai macam bentuk dan penetrasi yang dihasilkan apabila ketiga parameter diatas diubah-ubah terlihat pada Gambar 2.13. Pada gambar tersebut menunjukkan bahwa untuk Gambar A : arus, voltase, dan kecepatan pengelasan dalam kondisi normal, Gambar B : arus terlalu kecil, Gambar C : arus terlalu besar, Gambar D : voltase terlalu kecil, Gambar E : voltase terlalu besar, Gambar F : kecepatan pengelasan terlalu kecil, dan Gambar G : kecepatan pengelasan terlalu besar. 2.3 Klasifikasi Baja Karbon Baja pada dasarnya adalah paduan besi karbon dengan kadar karbon tidak lebih dari 2.0 % disamping juga mengandung sejumlah unsur paduan dan unsur pengotor. Baja dibuat dari besi kasar dengan mengurangi kadar karbon dan unsur lain yang ridak
19
disukai. Baja adalah logam yang paling banyak digunakan. Sifat baja banyak ditentukan oleh kadar karbonnya disamping juga unsur paduannya (jenis dan jumlah). Berdasarkan kadar karbonnya baja dibagi menjadi tiga kelompok yaitu : 2.3.1 Baja Karbon Rendah Baja karbon rendah atau mild steel dalam AISI mempunyai seri C-1008 sampai C-1025. karbon mempunyai range antara 0.1 – 0.25 %, mangan mempunyai range antara 0.25 – 1.50 %, fosfor dengan kadar maksimum 0.40 % dan sulfur dengan kadar maksimum 0.50 %. Baja dalam tipe ini digunakan secara luas untuk konstruksi dan industri. Baja ini sering digunakan sebagai baja struktural, gear, bagian dari mesin, kawat dan lainnya. 2.3.2 Baja Karbon Menengah Dalam AISI baja tipe baja karbon menengah ini memiliki seri C-1030 sampai C-1050. Komposisinya hampir sama dengan baja karbon rendah kecuali range karbon antara 0.25 – 0.50 % dan mangan antara 0.60 – 1.65 %. Baja ini biasanya digunakan sebagai crane hooks, shafts, rotor, bagian mesin yang mendapat pengerjaan laku panas, rel kereta api, ban kereta api, dan lainnya. 2.3.3 Baja Karbon Tinggi Dalam AISI baja karbon tinggi memiliki seri C-1050 sampai C-1095. Komposisinya hampir sama dengan baja karbon menengah kecuali range karbon antara 0.50 – 1.03% dan mangan antara 0.30 – 1.00 %. Contoh penggunaan dari baja ini adalah : 1. 0.50 – 0.60 % C : Roda kereta api, rel, tali kawat. 2. 0.60 – 0.70 % C : Drop hammer, gunting, mandrel. 3. 0.70 – 0.80 % C : Palu, bemper mobil, cetakan, cetakan besar untuk cold press, band saws, anvil faces. 4. 0.80 – 0.90 % C : Cold chisels, punches, rock drills, shear blades.
20
Pada Gambar 2.14 dapat dilihat diagram fase kesetimbangan antara Fe dengan Fe3C dimana karbon memiliki kelarutan maksimum dalam Fe sebesar 6.67 %. Dalam besi cair karbon dapat larut, tetapi dalam keadaan padat kelarutan karbon dalam besi akan terbatas. Selain sebagai larutan padat, besi dan karbon juga dapat membentuk senyawa interstitial (interstitial compound), eutektik dan eutektoid atau juga mungkin juga karbon akan terpisah sebagai grafit. Pengaruh kadar karbon terhadap struktur mikro dan sifat mekanik utama dari baja karbon dapat dilihat pada Gambar 2.15.
Gambar 2.14 Diagram fase Fe – Fe3C
21
Gambar 2.15 Hubungan antara kadar karbon dengan struktur mikro Dari Gambar 2.15 dapat dilihat bahwa semakin besar kadar karbon dalam suatu baja, maka nilai kekerasan baja tersebut akan semakin tinggi. Ini berlawanan dengan nilai ductility baja tersebut dimana semakin tinggi kadar karbon maka semakin kecil nilai ductility atau dengan kata lain baja tersebut semakin brittle (getas). Untuk kekuatan tarik (tensile strength) dapat dilihat bahwa kenaikan kadar karbon sampai nilai tertentu harga kekuatan tariknya naik kemudian turun. Untuk baja karbon rendah, sifat mekanik yang dimiliki adalah ketangguhannya dan kekerasannya lebih rendah dibanding dengan baja karbon
22
menengah maupun tinggi. Kekuatannya juga tinggi namun ductility atau keuletannya rendah. Komposisi baja juga tersusun atas beberapa elemen. Unsur-unsur penyusun baja antara lain adalah Silikon (Si), Mangan (Mn), Sulfur (S), dan Phosfor (P). Unsur penyusun ini memiliki pengaruh : 1. Silikon (Si) : Sebagai penstabil ferrite dan dapat menaikkan temperatur transformasi. Silikon cenderung membentuk grafit dan terdapat pada hampir semua jenis baja dimana silikon berfungsi sebagai deoksidiser. 2.Mangan (Mn) : Mangan dapat meningkatkan kekuatan dan kekerasan, membentuk karbida, menaikkan hardenability, menurunkan range temperatur transformasi. Mangan dengan kadar yang cukup dapat memproduksi baja austenitik dan hampir selalu terdapat dalam baja karena berfungsi sebagai deoksidiser. 3. Sulfur (S) : Dapat menurunkan ketangguhan, kekuatan dan weldability. 4. Phosfor (P) : Dapat menaikkan kekuatan dan hardenability, menurunkan keuletan dan ketangguhan. Menaikkan machineability dan ketahanan terhadap korosi. 2.4 Sifat Metalurgi dan Mekanik Baja Karbon Rendah Baja karbon rendah mempunyai kadar karbon mulai dari 0.1% sampai 0.25% dan termasuk baja hypoeutektoid Dari kadar karbon yang dimiliki maka dapat diketahui bahwa struktur mikro dari baja karbon menengah adalah ferrite dan pearlite. Struktur mikro diatas dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. Ferrit : Merupakan larutan padat karbon dalam besi α. Kelarutan karbon maksimum 0.025% (pada 723ºC) dan hanya 0.008% pada temperatur kamar. Kekuatan
23
dari ferrite rendah tetapi memiliki keuletan yang tinggi. Kekerasan dari ferrite adalah kurang dari 90 RB. 2. Pearlite : Adalah suatu eutectoid mixture dari cementite dan ferrite. Mengandung 0.83%C dan terbentuk pada temperatur 723ºC. Kekuatannya dan kekerasannya sedang. Dibawah ini merupakan struktur mikro dari baja hypoeutektoid. Baja jenis ini pada temperatur kamar terdiri dari ferrite dan perlite dimana pada Gambar 2.16 warna putih menunjukkan ferrit dan untuk warna gelap menunjukkan perlit.
Gambar 2.16 Struktur mikro baja Hypoeutektoid (11) 2.5 Weldability Baja Karbon Rendah Weldability merupakan kemampuan untuk membentuk gabungan atau penyambungan yang kuat akibat terjadinya pembekuan dari keadaan cair dengan kata lain kesanggupan untuk disambung dengan proses pengelasan dan menghasilkan penyambungan yang memuaskan. Pengelasan tidak hanya melekatkan dua logam yang disambung, sehingga terlihat weld
24
bead diantara logam-logam induknya, tetapi hasil dan mutu dari lasan tersebut harus memenuhi persyaratan-persyaratan tertentu baik ditinjau dari beban-beban yang bekerja, perubahan sifat-sifat mekaniknya, ketahanan terhadap korosi, berubahnya struktur mikro dari bagian lasan, adanya cacat baik yang makro maupun yang mikro, dan sebagainya. Untuk baja karbon rendah tidak akan menimbulkan masalah selama tebal spesimen tidak lebih dari satu inch. Pada karbon jenis ini tidak diperlukankan pre maun post heat.(10) 2.6 Metalurgi Las Pengelasan merupakan proses penyambungan antara dua bagian logam atau lebih dengan menggunakan energi panas. Karena proses ini maka didaerah sekitar lasan mengalami siklus termal cepat yang menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan metalurgi yang rumit, deformasi dan tegangan-tegangan termal. Pada umumnya struktur mikro dari baja tergantung pada kecepatan pendinginannya dari temperatur daerah austenite sampai ke temperatur kamar. Terjadinya perubahan struktur mikro maka sifat mekanik yang dimilikinya akan berubah juga. 2.6.1 Siklus Termal dan Daerah Lasan Siklus termal menunjukkan hubungan antara proses pemanasan dan proses pendinginan dimana setelah terjadi temperatur puncak dalam susunan sumbu T versus t. Siklus termal ini dipengaruhi oleh dimensi benda (ketebalan), input panas, temperatur benda (To), dan konduktivitas panas logamnya. Untuk input panas berpengaruh terhadap siklus termal, lebar HAZ, TKTP (Tempat Kedudukan Temperatur Puncak) dan CRW. Lamanya pendinginan dalam suatu daerah temperatur tertentu dari suatu siklus termal las sangat mempengaruhi kualitas sambungan. Karena itu banyak sekali usaha-usaha pendekatan untuk menentukan lamanya waktu pendinginan tersebut. Contoh siklus termal pada daerah las dapat dilihat pada Gambar 2.17.
25
Gambar 2.17 Siklus termal las daerah yang berjarak 10 sampai 25 mm(1) Siklus ini menggambarkan kecepatan kenaikan temperatur pada proses las dan lama proses pendinginan serta dapat menunjukkan daerah pada lasan dimana kedudukan temperatur tertinggi yang dipengaruhi oleh input panas. Pemanasan yang lambat menyebabkan perambatan panas kesegala arah, sehingga menambah pemanasan yang dibutuhkan yang berarti memperlambat pencairan tetapi menambah kemungkinan terjadinya penyusutan logam. Dari siklus tersebut dapat dilihat adanya temperatur puncak pada saat jarak tertentu dari sumber panas dan waktu yang digunakan untuk mencapai temperatur puncak. Dengan
26
diketahuinya temperatur puncak, dapat diprediksi lebar HAZ-nya. Selain temperatur dan waktu, dari siklus termal dapat dilihat seberapa besar kecepatan pemanasan dan kecepatan pendinginan. Semua ini memiliki hubungan yang sangat erat. Dasar pemikiran aliran panas dalam pengelasan terutama dari segi pengaruh sumber panas terhadap material yang akan dilas menjadi konsep input energi. Untuk mendapatkan energi input netto maka digunakan rumus sebagai berikut :
H nett =
f1 EI ................................... (3.1) V
Dimana :
H nett E I f1 V
= energi input netto (J/mm) = volts = amperage = efisiensi perpindahan panas (biasanya diasumsikan 0.9) = kecepatan bergerak sumber panas (mm/det)
Gambar 2.18 Daerah lasan Gambar 2.18 menunjukkan daerah lasan yang terdiri dari tiga bagian yaitu weld metal, daerah pengaruh panas atau daerah HAZ dan logam induk (base metal) yang tidak terpengaruh proses las. Weld metal adalah pencairan sebagaian logam induk dan logam pengisi. Daerah HAZ adalah daerah pengaruh panas, logam induk yang mengalami perubahan struktur mikro dan sifat
27
mekanis. Logam induk adalah bagian logam dasar di mana panas dan temperatur pengelasan tidak menyebabkan terjadinya perubahan-perubahan struktur dan sifat. Kemudian ada lagi satu daerah khusus dari daerah lasan yaitu daerah batas las yang membatasi antara logam las dengan daerah HAZ atau disebut fusion line. 2.6.2 Kecepatan Pemanasan Perubahan kecepatan pemanasan dipengaruhi oleh energi input netto atau Hnett. Apabila Hnett nilainya diperbesar maka kecepatan pemanasannya pun ikut besar dalam artian kecepatannya bertambah. Begitu pula sebaliknya, apabila nilai Hnett -nya diperkecil maka kecepatannya menurun. Kecepatan pemanasan mempunyai pengaruh terhadap perambatan panas ke daerah lasan, apabila kecepatannya lambat maka akibatnya perambatannya kesegala arah artinya lebih banyak panas yang menyebar ke bagian logam. Selain itu berpengaruh pada temperatur puncak yang dicapai, semakin cepat kecepatannya maka semakin tinggi temperatur puncak yang dicapai. Menurut C. M. Adams, temperatur puncak dapat dilakukan pendekatan dengan perhitungan, tetapi perhitungan ini hanya dapat diterapkan pada HAZ saja. Persamaannya adalah sebagai berikut :
1 4.13ρCtY 1 ..................... (3.2) = + T p − To H nett Tm − To
Dimana :
Tp
= temperatur puncak (oC)
Tm To
= temperatur melting (oC)
ρ
C t
= = = =
temperatur awal dari plat (oC) density material (g/mm3) specific heat material (J/g · oC) tebal plat (mm)
28
Y = jarak dari weld fusion boundary (mm) H nett = energi input netto (J/mm) 2.6.3 Kecepatan Pendinginan Struktur mikro dan sifat mekanis akhir lasan sangat ditentukan oleh laju pendinginan. Kecepatan pendinginan kritis atau critical cooling rate (CCR) adalah kecepatan pendinginan dimana pada batas ini cenderung timbulnya crack (retak) besar sekali, untuk baja akan terbentuk struktur martensit yang keras dan brittle (getas).
Gambar 2.19 TTT (Time-Temperature-Transformation) diagram untuk baja hypoeutectoid (6)
29
Kurva CCR ini ditunjukkan dengan adanya kurva yang menempel pada “nose” TTT (time-temperature-transformation) diagram, lihat pada Gambar 2.19. Pada baja karbon rendah memiliki kecepatan pendinginan kritis yang tinggi.Bila sebuah logam memiliki CCR, kurva yang tepat menempel pada ”nose”, maka pada pendinginan udara biasa dapat dipastikan bahwa struktur lasnya bukan martensit dengan alasan karena kecepatan pendinginan pengelasan atau cooling rate welding (CRW) dengan udara berada disebelah kanan dari CCR-nya. Sebaliknya bila kurva CRW-nya berada pada sebelah kiri CCR-nya (lebih cepat dari CCR-nya) maka akan mempermudah timbulnya crack. Untuk mengatasi hal ini, diperlukan preheat dan atau postheat. Karena pada baja karbon rendah kecepatan pendinginan kritis yang dimiliki tinggi maka tidak diperlukannya preheat maupun postheat. Pada akhir pengelasan akan menghasilkan struktur yang ulet sehingga sambungan diharapkan tahan terhadap internal stress yang terjadi dari proses las dan tidak menyebabkan retak. Kecepatan pendinginan suatu logam dapat dicari dengan melakukan pendekatan perhitungan. Menurut C. M. Adams, jika plat relatif tebal dalam artian memerlukan beberapa layer (lebih dari enam layer) untuk melengkapi sambungan maka kecepatan pendinginannya dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
R=
2πk (Tc − To ) ............................ (3.3) H nett
Dimana :
R = kecepatan pendinginan di titik weld center line (oC/s) k = konduktivitas termal logam (J/mm · s oC)
Sedangkan jika plat relatif tipis, hanya memerlukan kurang dari empat layer, maka persamaannya menjadi seprti berikut :
30
t R = 2πkρC H nett
2
(Tc − To )3 ...................(3.4)
Untuk membedakan antara persamaan untuk plat tebal dan plat tipis maka terdapat persamaan lain yang membantu kapan menggunakan persamaan untuk plat tebal dan kapan menggunakan persamaan untuk plat tipis. Persamaan tersebut adalah sebagai berikut :
τ =t
ρC (Tc − To ) H nett
.............................. (3.5)
Apabila nilai τ lebih besar dari 0.9 maka menggunakan persamaan plat tebal, sedangkan bila nilai τ kurang dari 0.6 maka menggunakan persamaan plat tipis. Bila nilai τ -nya diantara 0.6-0.9 maka apabila τ = 0.75 akan dianggap sebagai nilai acuan, apabila τ -nya lebih besar dari 0.75 maka digunakan persamaan plat tebal sedangkan bila nilainya lebih kecil dari 0.75 maka yang digunakan adalah persamaan plat tipis, dengan memberikan nilai error tidak lebih dari 15% dari nilai kecepatan pendinginannya.(1) 2.6.4 Ketangguhan daerah lasan Logam las adalah logam yang dalam proses pengelasan mencair dan kemudian membeku, sehingga logam las ini banyak sekali mengandung oksigen dan hidrogen serta gas-gas lain. Komposisi logam ini tergantung pada proses pengelasan yang digunakan, tetapi dapat diperhitungkan bahwa komposisinya akan terdiri dari komponen logam induk dan kompenen bahan las yang digunakan. Karena itu dalam menganalisa ketangguhan harus diperhatikan pengeruh unsur lain yang terserap selama proses pengelasan terutama oksigen, hydrogen dan pengaruh dari strukturnya sendiri. Pengujian impact strength dapat mewakili penganalisaan ketangguhan ini.(10)
31
2.7 Metalurgi Las pada Pengelasan Bawah Air Untuk lingkungan pengelasan bawah air, metalurgi lasnya agak sedikit berbeda. Mulai dari parameter las, seperti input panas. Pada pengelasan bawah air untuk mencapai Hnett yang sama dengan pengelasan di udara dibutuhkan input panas yang lebih besar. Untuk sifat mekanis dari benda kerjanya, seperti logam lasan dan HAZ yang dihasilkan, akan bersifat lebih getas. Selain itu juga kecepatan pendinginan sangat berpengaruh terhadap hasil lasan bersifat ulet atau tidak. Untuk ketangguhan pada logam lasan dapat dipengaruhi oleh unsur lain, dalam hal ini hidrogen. Kandungan hidrogen pada pengelasan bawah air lebih banyak dibandingkan pengelasan di udara sehingga ini menyebabkan baik logam lasan maupun HAZ bersifat brittle, mudah retak dan terbentuknya porositas.
