BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Poros merupakan salah satu elemen mesin yang fungsinya sangat signifikan dalam konstruksi mesin. Sunardi, dkk. (2013) menyatakan bahwa poros digunakan dalam mesin rotasi untuk mentrasmisikan putaran dan torsi dari satu lokasi ke lokasi lainnya. Poros mentransmisikan torsi dari driver (motor atau engine) ke driven. Menurut Orosa (2012), komponen mesin yang sering digunakan bersama poros adalah roda gigi, puli, dan sproket. Poros seperti ini menderita beban puntir dan beban lentur. Beban puntir menyebabkan geseran dan mencapai harga maksimum pada sisi terluar poros, sedangkan beban lentur mengakibatkan tegangan tarik dan tekanan maksimum juga pada permukaan poros namun pada sisi yang berseberangan. Penelitian ini akan fokus pada proses pengurangan tegangan sisa yang muncul pada poros akibat proses pengelasan. Proses penyambungan poros dengan pengelasan
dalam
dunia
industri
sebenarnya
tidak
dianjurkan
karena
ketidakpastiannya sangat tinggi menyebabkan perubahan dimensi, bentuk, eksentrifitas, cacat las, dan sifat mekanik yang dihasilkan bila poros mengalami penyambungan dengan pengelasan. Beberapa contoh penyambungan las dapat dilhat dalam kasus berikut: 1. Gambar 1.1. menunjukkan poros penggerak mobil yang mengalami patah kemudian disambung dengan pengelasan (www.competitiondiesel.com).
Gambar 1.1. Rear Axle Shaft pada mobil diesel disambung dengan pengelasan. (www.competitiondiesel.com). 1
2
2. Dalam situs www.westknoxrc.com yang juga diakses pada tanggal 7 Agustus 2015, dengan topik “MG Midget broken half shaft repair”, tampak poros penggerak roda mengalami patah di bagian ujung poros. Poros yang mengalami patah tersebut kemudian disambung dengan poros lain yang bentuk profilnya sama (Gambar 1.2.). Penyambungan ini harus benar-benar memperhatikan kesentrisan dari poros.
Gambar 1.2. Gambar (a). Poros yang patah dan poros pengganti. (b). Penyambungan poros dengan metode pin dan hole. (c). Rear axle shaft pada mobil MG Midget yang disambung dengan pengelasan. (www.westknoxrc.com).
Penyambungan poros dengan pengelasan ini akan menghasilkan tegangan sisa yang kemudian mendapat perlakuan panas stress relief annealing untuk menghilangkan tegangan sisa yang terjadi. Perlakuan panas/heat treatment adalah sebuah cara merubah sifat fisik dan juga sifat kimia suatu material. Sulaiman (2010) menjelaskan bahwa metode perlakuan panas pada logam atau paduan dalam kondisi padat dilakukan dengan memanaskan material hingga mencapai suhu tertentu, kemudian ditahan beberapa saat pada suhu tersebut, dilanjutkan proses pendinginan di luar furnace.
2
3
Dalam penelitian ini parameter perlakuan panas stress-relief annealing pada poros yang digunakan adalah temperature (T) dan waktu pemanasan/holding time (t). Perlakuan panas stress-relief annealing tidak bertujuan untuk menghasilkan perubahan yang signifikan pada struktur dan propertis material, sehingga proses ini biasanya terbatas pada suhu yang relatif rendah di atas termperatur rekristalisasi (Clark, dkk. 1962). Tegangan sisa yang ada dalam poros dapat diukur dengan berbagai macam metode pengukuran, yang terbagi menjadi 2 tipe yaitu metode destruktif dan nondestruktif. Metode yang belum banyak dipakai karena keterbatasan alat tetapi mampu mengukur tegangan sisa dengan akurat yaitu metode pengukuran tegangan sisa non-destruktif dengan hamburan neutron. Metode pengukuran tegangan sisa pada poros dengan hamburan neutron hanya dapat dilakukan pada reaktor nuklir yang merupakan sumber berkas neutron. Metode pengukuran tegangan sisa dilakukan dengan menembakkan berkas neutron pada permukaan benda kemudian berkas neutron yang dihamburkan oleh inti atom dari benda tersebut ditangkap oleh detektor neutron dan dianalisa intensitasnya. Intensitas neutron yang diterima detektor ini akan ditampilkan dalam bentuk grafik dimana jarak antar atom didapatkan dari jarak antar puncak intensitas dari neutron tersebut sebagai pendekatan untuk mengukur regangan internal pada suatu material. Adanya jarak antar atom merupakan tanda adanya regangan pada benda tersebut. Parameter pengukuran tegangan sisa pada poros menggunakan hamburan neutron diantaranya yaitu penentuan bidang kristal (hkl) dari logam poros, penentuan monokromator untuk menentukan panjang gelombang (λ), sudut hamburan (θ), regangan (ε) dan tegangan (τ) (Cheng, dkk. 2007). Tegangan sisa pada poros juga memiliki hubungan dengan frekuensi natural poros tersebut. Frekuensi natural (frekuensi pribadi atau frekuensi alami) adalah frekuensi getaran sistem sebagai konsekuensi getaran kolektif partikel-partikel penyusunnya ketika tidak ada sumber getaran dari luar sistem. Menurut Vaisak, dkk. (2014), frekuensi meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan sisa akibat proses pengelasan. Sedangkan menurut Yongyi dan Lichuan (1996), bila
3
4
terdapat tegangan sisa akibat proses pengelasan, maka semua frekuensi natural pada komponen tersebut akan meningkat. Frekuensi natural juga merupakan elemen yang sangat penting dalam perancangan poros. Poros mesin yang berputar kemungkinan akan berisolasi ke arah transversal/melintang. Bila poros tidak seimbang, maka gaya sentrifugalnya akan memicu getaran pada poros. Poros yang berotasi pada kecepatan yang sama dengan frekuensi naturalnya, akan menyebabkan resonansi, dimana amplitudo getaran yang dihasilkan akan sangat besar. Kecepatan poros saat terjadinya resonansi disebut kecepatan kritis. Satu hal yang tidak kalah pentingnya dalam pengujian poros yang mengalami proses pengelasan dan perlakuan panas adalah pengujian metalografi. Uji metalografi dilakukan untuk mengetahui sifat, struktur, temperatur, dan presentase campuran logam tersebut. Pada spesimen las, metalografi yang diamati adalah pada logam induk, daerah HAZ, dan garis lasan. Baja yang dilas dengan metode SMAW, kemudian didinginkan secara perlahan akan terbentuk kristal ferit yang tampak berwarna putih bila diamati dengan mikroskop. Banyaknya struktur ferit ini membuat material mejadi ulet dan kekerasannya menurun.
1.2. Perumusan dan Batasan Masalah. 1.2.1. Perumusan Masalah. 1. Bagaimana pengaruh variasi parameter suhu dan waktu pemanasan stress relief annealing terhadap frekeuensi natural poros baja AISI 1020 yang disambung dengan pengelasan? 2. Bagaimana pengaruh variasi parameter suhu dan waktu pemanasan stress relief annealing terhadap distribusi tegangan sisa poros baja AISI 1020 yang disambung dengan pengelasan? 3. Bagaimana perubahan struktur material poros baja AISI 1020 yang disambung dengan pengelasan sebelum dan setelah perlakuan panas stress relief annealing?
4
5
1.2.2. Batasan Masalah. 1. Material poros yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja AISI 1020, penyambungan poros dilakukan dengan pengelasan SMAW, sudut kampuh las 30°, menggunakan elektroda E 6013, arus pengelasan 90 Ampere, voltase 40 volt DC, waktu pengelasan 900 detik. 2. Parameter perlakuan panas stress relief annealing yang digunakan yaitu suhu pemanasan 600°C, 650°C, 675°C dengan waktu penahanan panas 45, 60, dan 90 menit dengan pendinginan lambat. 3. Pengukuran frekuensi natural dilakukan dengan Modul DEWESoft Sirius Mini dengan Metode Modul Test dan Metode Bump Test. 4. Pengukuran tegangan sisa dilakukan dengan Metode Hamburan Neutron menggunakan Diffraktometer Neutron DN1. 5. Pengujian struktur mikro dan makro dilakukan dengan pengetsaan material dan pengamatan di daerah lasan sampai HAZ menggunakan mikroskop mikro dan makro.
1.3. Tujuan dan Manfaat Penelitian Tujuan penelitian pengaruh heat treatment stress relief annealing terhadap tegangan: 1. Mengetahui pengaruh variasi parameter suhu dan waktu pemanasan stress relief annealing terhadap frekeuensi natural poros baja AISI 1020 yang disambung dengan pengelasan. 2. Mengetahui pengaruh variasi parameter suhu dan waktu pemanasan stress relief annealing terhadap distribusi tegangan sisa poros baja AISI 1020 yang disambung dengan pengelasan. 3. Mengetahui perubahan struktur material poros baja AISI 1020 yang disambung dengan pengelasan sebelum dan setelah perlakuan panas stress relief annealing.
Manfaat penelitian pengaruh heat treatment stress relief annealing terhadap tegangan sisa antara lain adalah:
5
6
1. Mengetahui metode perlakuan panas efektif utuk mengurangi tegangan sisa pada poros yang disambung dengan pengelasan. 2. Mengetahui metode pengukuran tegangan sisa dengan menggunakan hamburan neutron. 3. Mengetahui metode pengukuran frekuensi natural dengan menggunakan Modul DEWESoft. 4. Menambah pengetahuan mengenai hubungan antara tegangan sisa, frekuensi natural, dan metalografi pada poros baja AISI 1020 yang disambung dengan pengelasan.
1.4. Sistematika Penulisan BAB I
: Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, batasan dan perumusan masalah, tujuan dan manfaat penelitian serta sistematika penulisan.
BAB II
: Dasar teori, berisi tinjauan pustaka yang berkaitan dengan definisi tegangan sisa yang dihasilkan dalam proswes penyambungan poros dengan pengelasan, penjelasan tentang metode perlakuan panas stress relief annealing, pengukuran tegangan sisa dengan metode hamburan neutron serta pengujian frekuensi pribadi sampel.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan tentang penelitian eksperimen perlakuan panas stress relief annealing, prosedur penelitian, penyiapan bahan dan alat, variasi proses perlakuan panas, tempat dan waktu penelitian. BAB IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil penelitian serta analisa hasil. BAB V
: Penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran.
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
6
