STUDI PENGARUH HEAT INPUT TERHADAP DEFORMASI PADA PENGELASAN PIPA CuNiFe DENGAN PENGELASAN TIG Ir. Soeweify M.Eng*, Nurcahyo Irawan Priambodo** * Staf Pengajar Jurusan Teknik Perkapalan ** Mahasiswa Jurusan Teknik Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Sukolilo – Surabaya (60111) Telp : 081335344097 Email :
[email protected] Abstrak CuNiFe merupakan produk yang banyak diaplikasikan dalam dunia maritim sebagai bahan yang baik ketahanannya terhadap korosi air laut, aplikasinya dikapal banyak digunakan pada saluran bilga dan juga saluran-saluran yang menghantarkan suatu zat yang bersifat kimia seperti saluran pemadam yang berisi foam, juga saluran gas lainya. Dalam penelitian ini material yang akan digunakan adalah pipa CuNiFe yang dilas melingkar pipa (5G) dengan ketebalan pipa 2 mm, diameter pipa 3 inch (76 mm), dan elektroda yang digunakan adalah SG-CuNi10Fe (2,4 mm) dengan kuat arus pengelasan antara 50 - 100 Ampere yang berpatokan pada Standar Kerja Lapangan Milik PT.PAL Indonesia (Persero). Penelitian ini ditujukan untuk mengetahui hasil pengelasan Pipa CuNiFe yang berawal dari ketidak tersediaan WPS. Namun penulis hanya menganalisa hasil pengelasan terhadap kriteria yang diterima oleh standar pengelasan khususnya untuk pengelasan pipa tersebut (ASME). Untuk perubahan struktur pipa sebelum dan pasca pengelasan digunakan pengujian deformasi, dan untuk mengetahui adanya cacat las yang terjadi digunakan pengujian radiography. Analisa mengenai ketangguhan dan sifat mekanis sambungan digunakan pengujian tarik (Tension Test) dan tekuk (Bending Test). Dari pengujian - pengujian yang telah dilakukan didapatkan bahwa pengelasan Pipa CuNiFe dengan heat input 0,497 Kj/mm terjadi distorsi sudut sebesar dengan jarak terjauh terhadap garis lurus las sebesar 2,43 mm, Porosity sebesar 3 mm (reject), sehingga tidak dipilih untuk pengujian mekanis sambungan . Untuk specimen yang dilas dengan heat input 0.746 Kj/mm terjadi distorsi sudut sebesar dengan jarak terjauh terhadap garis lurus las sebesar 3,21 mm, tidak terdapat cacat las (porosity), Ultimate strength 306.45 N/mm2, juga tidak terdapat crack maupun open defect pada pengujian tekuk. Untuk specimen yang dilas dengan heat input 0.995 Kj/mm terjadi distorsi sudut sebesar dengan jarak terjauh terhadap garis lurus las sebesar 3,85 mm, porosity sebesar 0,5 mm, dan tidak dipilih untuk pengujian mekanis. Kata kunci: Pipa CuNiFe, Ampere, Heat Input, TIG, Pengujian Deformasi, Pengujian Radiografi, Pengujian Mekanis CuNiFe is a product of many maritime application in the world as a good resistance to seawater corrosion, its applications are widely used in onboard bilga channels and also channels that deliver a substance that is chemically like the channels that contain foam extinguishers, as well as other gas lines. In this research material are used CuNiFe welded pipe circular pipe (5G) with a thickness of 2 mm pipe, 3 inch diameter pipe (76 mm), and the electrodes used was SG-CuNi10Fe (2.4 mm) with a strong flow of welding between 50 to 100 Ampere is based on Field Work Standards Property PT.PAL Indonesia (Persero). This study aimed to determine the results of welding pipes that led from CuNiFe outage WPS. But the authors analyzed only the results of the welding of the criteria accepted by the standard welding pipe welding, especially for those (ASME). To change the structure of the pipe before and after the welding deformation test used, and to know the existence of welding defects that occur in use radiography testing. Analysis of the toughness and the mechanical connections used tensile testing (Tension Test) and bending (Bending Test). From the test - a test that was done it was found that welding with a heat input pipe CuNiFe input 0.497 Kj / mm distortion angle of the farthest distance of the straight line welding of 2.43 mm, 3 mm Porosity of (reject), so that was not chosen for mechanical testing connection. For the specimens welded with heat input 0.746 Kj/mm distortion angle of the farthest distance of the straight line welding of 3.21 mm, there is no weld defects (porosity), 306.45 N/mm2 Ultimate strength, there is also an open crack or defect the bending test. For the specimens welded with heat input 0.995 Kj/mm distortion angle of the
farthest distance of the straight line welding of 3.85 mm, porosity of 0.5 mm, and are not selected for mechanicaltesting. Keywords: Pipe CuNiFe, Ampere, Heat Input, TIG, Deformation Testing, Radiography Testing, Mechanical Testing .
1. Pendahuluan CuNiFe merupakan produk yang banyak diaplikaskan dalam dunia maritim sebagai bahan yang baik ketahanannya terhadap korosi air laut, aplikasinya dikapal umumnya digunakan pada saluran bilga dan juga saluran-saluran yang menghantarkan suatu zat yang bersifat kimia seperti saluran pemadam yang berisi foam dan katup-katup gas lainya. Dalam penelitian ini material yang digunakan adalah pipa CuNiFe yang dilas melingkar pipa (horizontal rolled position)/ (5G) dengan ketebalan pipa 2 mm dengan . Elaktroda yang digunakan adalah SG-CuNi10Fe (2,4) dengan kuat arus pengelasan antara 50-100 Ampere, dengan mengacu pada standart AWS dengan mesin las jenis GTAW dan standart kerja di PT.PAL yang ada. (sumber berdasar pada data dilapangan), hal ini di karenakan WPS untuk material yang maksud belum tersedia sehingga menggugah penulis untuk menganalisa hasil dari klasifikasi standar kerja lapangan yang digunakan. Penggunaan panas (heat input) selama proses pengelasan berlangsung akan menyebabkan perubahan bentuk material (distorsi) dan perubahan struktuk mikro pada daerah HAZ sehingga akan mempengaruhi sifat mekanis hasil lasan. Besarnya panas (heat input) sangat bergantung pada besarnya arus dan travel speed yang digunakan selama proses pengelasan. Sering kita jumpai di lapangan, para juru las menggunakan arus yang terlalu tinggi untuk mengelas, padahal dengan semakin tingginya arus akan membuat material hasil lasan semakin rentan terhadap cacat las. Arus yang terlalu tinggi menyebabkan semakin banyak atom hidrogen yang terperangkap ke dalam weld metal, apabila laju pendinginan cepat maka akan timbul lubang – lubang halus atau porositas. Umumnya pengelasan aluminium sangat rentan terhadap porositas yang secara langsung akan menurunkan sifat mekanis hasil lasan. Sehingga diperlukan kehati – hatian dalan proses pengelasan aluminium.
2. Metode Penelitian Bahan Penelitian Logam dasar pada penelitian ini adalah menggunakan material CuNiFe dalam bentuk pipa dengan ketebalan 2 mm, panjang 150 mm yang dilas menggunakan variasi ampere.
Tabel 1. Parameter Pengelasan GTAW Proses Pengelasan Maka dari range variasi ampere diatas, diambil batas bawah, tengah, dan atas, yaitu 50 Ampere, 75 Ampere, dan 100 Ampere. Dengan memperhatikan travel speed saat pengelasan dilakukan. Sehingga terukur heat input yang nantinya akan dianalisa lebih lanjut besar pengaruhnya terhadap deformasi yang terjadi serta kemungkinan terjadinya cacat pada daerah las.
Tabel 2. Hasil pengelasan dari ketiga specimen Untuk mendeteksi besar dari pengaruh deformasi, maka pipa sebelum dilas diukur terlebih dahulu perubahan strukturnya, yang kemudian dibandingkan dengan pipa pada saat setelah pengelasan dari masing-masing speciemen.
Dari pengelasan ketiga specimen diatas diketahui tidak terdapat adanya cacat las seperti undercut, underfill, maupun retak las. Sehingga dari kategori pengamatan visual, range yang dimaksud diatas masih memenuhi kriteria dalam standar pengelasan yang diijinkan.
Gambar 1. Pengukuran Deformasi Sebelum Pengelasan 3. Hasil Pengujian Dan Pembahasan Pengamatan Visual Setelah selesai dilakukan pengelasan dapat dlihat keadaan las-lasan. Karena pengelasan menggunakan gas oelindung argon maka spatter yang terjadi baik pada dua jenis spesimen sedikit sekali. Tetapi karena pengelasan GMAW menggunakan mesin semi automatik maka pengumpanan elektroda tidak bisa diatur bebas sehingga alur pengelasan tidak begitu bagus.
Hasil Uji Deformasi Dari pengujian deformasi sebelum dan setelah pengelasan terhadap pengelasan pipa CuNiFe tersebut dengan menggunakan Dial Gauge. Diketahui telah terjadi perubahan deformasi sebelum pengelasan, hal ini dipengaruhi oleh beban yang diterima pipa pada saat pemotongan, namun pembebanan tersebut tidak dibahas dalam penelitian ini. Untuk pengukuran setelah pengelasan, deformasi yang terjadi seiring dengan perubahan struktur yang terjadi seperti longitudinal shrinkage, angular shrinkage, maupun transversal shrinkage.
Grafik 1 Deformasi Longitudinal HI 0,497 Kj/mm
Gambar 2. Hasil pengelasan dengan arus 50 Ampere (Heat Input 0,479 Kj/mm)
Dari masing-masing bagian (titik-titik) pengukuran yang berjarak 20 mm dari mahkota las, diketahui telah terjadi deformasi sudut angular pada arah longitudinal pipa sebesar dengan jarak terjauh terhadap garis lurus las sebesar 2,43 mm.
Gambar 3. Hasil pengelasan dengan arus 75 Ampere (Heat Input 0,746 Kj/mm)
Grafik 2 Deformasi Transversal HI 0,497 Kj/mm Gambar 4. Hasil pengelasan dengan arus 100 Ampere (Heat Input 0,995 Kj/mm)
Dan pada daerah transversal pipa diketahui perubahan struktur melingkar pipa akibat pengaruh heat input yang diterima oleh pipa saat pengelasan sebesar 3.370 mm. Lain halnya dengan pengelasan dengan heat input berbeda
seperti penjelasan diberikut. Pada heat input 0,746 Kj/mm deformasi yang terjadi relatif lebih besar dibandingkan dengan heat input yang pertama (Heat Input 0,479 Kj/mm). Yaitu pada daerah longitudinal pipa terjadi deformmasi sudut sebesar dengan jarak terjauh terhadap garis lurus las sebesar 3,21 mm, seperti terlihat pada grafik dibawah ini.
Dari perubahan yang terjadi tercatat dalam penelitian pada heat input 0,995 Kj/mm terjadi deformasi sudut sebesar dengan jarak terjauh terhadap garis lurus las sebesar 3,85 mm. Sedangkan untuk daerah transversal pipa terjadi perubahan struktur sebesar 4.399 mm seperti tergambar pada grafik dibawah.
Grafik 3 Deformasi Longitudinal HI 0,746 Kj/mm
Grafik 5 Deformasi Tranasversal HI 0,995 Kj/mm
Dengan perubahan struktur pada daerah transversal pipa sebesar 3.799 mm pada titik perubahan yang terbesar dengan perubahan struktur sebesar 25 % dari posisi sebelum pengelasan.
Sehingga dari ketiga percobaan diatas dapat ditarik analisa perbandingan heat input terhadap temperatur pengelasan dan waktu pengelasan.
Grafik 6 Perbedaan Temperatur – Waktu Grafik 4 Deformasi Transversal HI 0,746 Kj/mm Perubahan struktur pipa akibat perngaruh heat input diatas dapat diartikan sebagai kondisi dimana material menerima panas yang diberikan pada saat pengelasan, yang mana apabila kita bandingkan dengan pengelasan yang ketiga (HI 0.995 Kj/mm) maka hasil yang diperoleh ada semakin besarnya perubahan struktur pipa yaitu sebesar 37% dari posisi pipa saat sebelum dilas, seperti digambarkan dalam garafik dibawah ini.
Hasil Uji Radiografi Dari hasil pengujian radiografi diperoleh data sebagai berikut:
Gambar 5 Radiografi HI 0,479 Kj/mm (Reject)
Grafik 5 Deformasi Transversal HI 0,995 Kj/mm
Tabel 4 Data hasil pengujian tarik (Tension Test) Gambar 6 Radiografi HI 0,746 Kj/mm (Accept)
Gambar 7 Radiografi HI 0,995 Kj/mm (Accept) Hasil uji radiografi menunjukkan adanya cacat las yang timbul adalah porosity. Untuk pengelasan CuNi10Fe dengan heat input 0.497 KJ/mm dan 0.995 KJ/mm memiliki cacat porosity sebanyak 2 buah dengan ukuran sebesar 3 mm dan 0,5 mm. Sedangkan untuk pengelasan dengan heat input 0.746 KJ/mm tidak terdapat cacat. Dari tabel 4.4 menunjukkan pada pengelasan dengan heat input 0.746 KJ/mm merupakan fungsi dari heat input tidak teridentifikasi cacat. Untuk pengelasan dengan heat input 0.497 KJ/mm, panas yang diterima logam las cukup tinggi. Hal ini diakibatkan karena travel speed yang lebih lambat, sehingga heat input menjadi kecil jika dibandingkan dengan pengelasan dengan head input 0.497 KJ/mm dan 0.995 KJ/mm, meskipun heat input 0.995 KJ/mm juga terdapat porosity sebesar 0.5 mm namun masih masuk dalam toleransi.
Berdasarkan ASME IX, yield strength dan elongation CuNi10Fe adalah 365 Mpa dan 40 %. Jadi untuk material yang dilas menggunakan heat input 0.746 Kj/mm masih memenuhi untuk yield strentgh dan elongation. Maka untuk membuktikan data referensi diatas maka perlu dilakukan pengujian specimen guna memenuhi WPS. Dari kriteria specimen pengujian yang diambil sebagai sample percobaan adalah pada heat input 0,746 kj/mm, karena pada pengujian sebelumnya (Radiografi) hasil pembacaan film menyatakan bahwa pada heat input ini tidak terdapat porosity ataupun cacat lainnya, berbeda dengan heat input lainnya yaitu pada heat input 0,497 Kj.mm dan 0,995 Kj/mm yang mana teridentifikasi cacat porosity sehingga tidak layak untuk dimasukkan dalam kriteria guna memenuhi WPS, hal ini sesuai dengan standar pengujian yang digunakan, sehingga pada heat input ini pula yang digunakan sebagai patokan mencari mechanical properties material CuNiFe ini. Pada pengujian weld product (weld joint dan weld metal), mechanical properties yang dianalisa hanya 2 point, yaitu Ultimate Tensile Strength (UTS) dan Yield Strength (YS). Sehingga dapat diketahui kekuatan tarik dari material lasan (weld metal) atau kekuatan sambungan lasnya (weld joint) .
Hasil Uji Tarik Dari uji tarik didapatkan data sebagai berikut. Gambar 8 Material uji putus pada daerah HAZ
Tabel 3 Data awal pengujian tarik (Sebelum)
Dari gambar hasil pengujian tarik diatas diketahui bahwa material uji putus/patah pada daerah HAZ (Heat Affected Zone), sesuai dengan ketentuan pemenuhan standart uji tarik yang digunakan (ASME). Dari bentuk patahan dan grain size hasil uji tarik dapat dilihat material termasuk brittle atau ductile. Jika bentuk patahan 45 derajat maka material disebut ductile dan jika 90 derajat maka material dikatakan
brittle. Pada hasil uji tarik ini bentuk patahannya 45 derajat pada pengelasan menggunakan heat input 0,746 kj/mm, sehingga hasil lasan ini bisa dikatakan ductile. Hasil Uji Tekuk (Bending Test) Untuk menentukan kekuatan tekuk suatu material dilakukan pengujian tekuk atau yang dikenal dengan bending test dengan cara meletakkan material dengan ukuran yang telah ditentukan berdasarkan standar yang dipakai diatas dua penumpu dengan jarak tertentu. Kemudian bagian tengah dari material uji ditekan dengan mandrel sampai membentuk sudut yang telah ditentukan (biasanya 180 derajad). Dalam percobaan dilakukan pengujian tekuk face bending dan root bending. Yang mana data percobaan adalah sebagai berikut:
pengelasan sehingga pada heat input 0.746 kj/mm telah memenuhi klasifikasi dalam WPS meskipun dalam percobaan ini masih belum mengikuti persyaratan yang distandarkan untuk pengujian WPS (Pengujian hanya bertujuan sebagai analisa terhadap standar kerja lapangan yang dipakai). 4.
Kesimpulan Setelah melakukan pengelasan dan melakukan beberapa pengujian (test), antara lain radiography test, dan deformasi test untuk mengetahui adanya cacat dan distorsi pada specimen hasil lasan diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1
Dari analisa dan pengamatan deformasi diperoleh bahwa terjadi deformasi sudut dan memanjang pada ketiga specimen dengan bentuk permukaan cembung. Dari angka deformasi maksimal pada specimen A terjadi distorsi sampai 3.370 mm, specimen B 3.799 mm dan specimen C sebesar 4.399 mm untuk pengamatan sisi transversal pipa. Hal ini disebabkan karena adanya perbedaan bentuk dan ukuran penahanan saat pengelasan pada ketiga specimen, serta kecenderungan posisi pada saat pemotongan pipa (beban yang diterima pipa oleh alat pemotong). Sedangkan untuk deformasi angular shrinkage dengan arah memanjang pipa terbentuk sudut pada specimen A adalah sebesar dengan jarak terjauh terhadap garis lurus las sebesar 2,43 mm, dan untuk specimen B adalah sebesar dengan jarak terjauh terhadap garis lurus las sebesar 3,21 mm, dan speciemen C adalah sebesar dengan jarak terjauh terhadap garis lurus las sebesar 3,85 mm. Yang mana deformasi ini sebagian besar dipengaruhi oleh perlakuan material yang tidak diperhatikan oleh welder, misalnya pada saat proses pemotongan maupun pada saat pengelasan, sehingga pipa tidak sejajar terhadap garis lurus las.
2
Dari pengujian radiography : Didapatkan bahwa terjadi porosity yaitu pada specimen A (heat input 0,49 Kj/mm) sepanjang 3 mm (reject) pada daerah baca akibat travel speed yang terlalu lambat sehingga mengikat atom-atom hydrogen bersama dengan udara. Namun pada specimen B (heat input 0,74 Kj/mm) tidak terdapat cacat, sedangkan pada specimen C (heat input 0,99 Kj/mm) terdapat porosity sepanjang 0,5 mm. Kondisi pada speciemen C ini disebabkan kurang optimalnya melting
Material yang digunakan merupakan material pipa yang dibelah guna mengambil sample specimen dengan menggunakan media bending test. Sesuai dengan perhitungan rumus dan hasil percobaan maka dapat disimpulkan dari kuat tekuk material ini.
Tabel 5 Data hasil pengujian bending
Gambar 9 Hasil uji FB dan RB Gambar 8 Pengujian Bending Dari hasil pengujian bending untuk face bend dan root bend tidak terdapat cacat
proses selama pengelasan akibat pengelasan travel speed yang terlalu cepat. 3. Dari pengujian tarik : Untuk Heat Input 0.746 kj/mm (Specimen A) diperoleh data sebagai berikut: Kuat luluh (yield strength) = 206.45 N/mm2, Kuat putus (ultimate strength) = 306.45 N/mm2 ,Elongation = 37.44 % Untuk Heat input 0.746 Kj/mm (Specimen B) diperoleh data sebagai berikut: Kuat luluh (yield strength) = 199.21 N/mm2, Kuat putus (ultimate strength) = 313.14 N/mm2 ,Elongation = 39.88 % 4 Dari pengujian tekuk : Dari hasil pengujian bending untuk face bend dan root bend tidak terdapat crack maupun open defect. 5. Referensi Anderson, T. 1995. Fracture Mechanics fundamental and applications. Department of Mechanical Engineering Texas A&M University College Station, Texas. AWS D 1.2. 2004. “Americab Welding Society Fourth Edition”. Structural Welding Code-Aluminium. Miami, Florida. Cardarelli, Francois. 2000. Handbook. Springer, London.
Material
Halmshaw, R. 1991. Non Destuctive Testing. Edward Arnold, London. Hendroprasetyo, Wing. 2006. Hand out Inspeksi Las. Jurusan Teknik Perkapalan, ITS, Surabaya. Mazzolani, Federico. M. 1995. Aluminium alloy Structure. E and FN Spon, Italy. Wiryosumarto, H dan Toshie Okumura. 1996. Teknologi Pengelasan Logam. PT Pradnya Paramita, Jakarta. ……… LR Marine - Marine and Offshore Pipe Systems, Emergency Showers and Tank RepairShipTechnology.htm.www.google.co.id/search/ cunife/Detail.asp?ArtichleID=3023
Rampaul, Hoobasar, „Pipe Welding Procedures’, Industrial Press, New York, 2003. Purwanto S, ‘Analisa Distorsi, Tegangan Sisa, dan Distribusi Panas Dengan Metode Elemen Hingga Pada Pengelasan Sambungan Pipa’, JTP, FTK, ITS, Surabaya, 2007. R. Scott Funderburk,Key Concepts in Welding Engineering, “Welding Innovation Vol.XVI, No.1,1999”, http://www.jflf.org/pdfs/papers/keyconcepts2.pdf
