PENGARUH DIAMETER SHOULDER DAN BENTUK PIN TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIR WELDING DENGAN MENGGUNAKAN PEMODELAN CFD TIGA DIMENSI
SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh: OKY PRASETYA NIM. I0412038
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017
PENGARUH DIAMETER SHOULDER DAN BENTUK PIN TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIR WELDING DENGAN MENGGUNAKAN PEMODELAN CFD TIGA DIMENSI Oky Prasetya Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia
[email protected]
Abstrak Salah satu parameter penting dalam FSW adalah geometri tool. Tool berguna untuk memanaskan dan menggerakan material benda kerja untuk menghasilkan suatu sambungan. Temperatur maksimum yang dihasilkan dari proses FSW, yaitu 80% dari titik leleh material benda kerja. Pemodelan distribusi temperatur dengan metode simulasi berguna untuk mempermudah penelitian dan menekan biaya penelitian FSW. Pemodelan tiga dimensi FSW dengan metode Computational Fluid Dynamic (CFD) menggunakan software ANSYS FLUENT dilakukan untuk mengetahui pengaruh tool terhadap distribusi temperatur pada FSW AA6061-T6. Variasi geometri tool dalam pemodelan distribusi temperatur FSW ini adalah diameter shoulder dan bentuk pin . Temperatur tertinggi pada sisi advance (AD) untuk semua variasi geometri tool. Nilai distribusi temperatur tertinggi dihasilkan oleh diameter shoulder 21 mm dan pin segilima. Nilai distribusi temperatur semakin meningkat dengan bertambahnya ukuran diameter shoulder dan jumlah sisi pada pin. Kata kunci: FSW; Distribusi Temperatur;Computational Fluid Dynamic; ANSYS FLUENT; AA6061-T6;Diameter shoulder; Bentuk Pin
iv
EFFECT OF SHOULDER DIAMETER AND PIN SHAPE ON TEMPERATURE DISTRIBUTION IN FRICTION STIR WELDING WITH A THREEDIMENTIONAL CFD MODELING
Oky Prasetya Mechanical Engineering Department, the Faculty of Engineering, Sebelas Maret University, Surakarta, Indonesia
[email protected]
Abstract One of the important parameters Friction Stir Welding (FSW) is tool geometry. Tool is useful to heat and to move the workpiece material to produce joints. The maximum temperature resulting from the FSW process is 80% of the melting point of workpiece material. The temperature distribution modeling with the simulation method was useful to facilitate the research and to minimize the cost on the FSW research. The three-dimensional FSW model with the Computational Fluid Dynamic (CFD) assisted with the software of ANSYS FLUENT was done to investigate the effect of tool on the temperature distribution of FSW AA6061T6. The variations of tool geometry in the temperature distribution modeling of the FSW included the shoulder diameter and the pin shape. The highest temperature on the advance side (AD) was produced by the 21 mm shoulder diameter and the pentagonal pin. The value of the temperature distribution was increasing in line with the increase in the size of shoulder diameter and the number of sides of the pin.
Keywords: FSW; Temperature Distribution; Computational Fluid Dynamic; ANSYS FLUENT; AA6061-T6; Shoulder diameter; Pin shape
v
KATA PENGANTAR Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang. Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun dan meyelesaikan laporan Skripsi ini dengan baik. Serta shalawat dan salam penulis berikan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW dan keluarga beserta sahabat yang telah memperjuangkan dan membebaskan umat manusia dari zaman kebodohan. Skripsi ini disusun untuk memenuhi persyaratan dalam memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam penyelesaian Skripsi ini tidak dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada: 1. Allah SWT yang telah memberikan kuasa, rahmat,berkah dan hidayah-Nya. 2. Ayah, Ibu dan adik penulis yang selalu mencurahkan segala doa, daya dan kemampuannya untuk penulis sehingga penulis mampu menjadi sperti sekarang ini. 3. Bapak Dominicus Danardono selaku Dosen Pembimbing I yang selalu memberikan dukungan yang begitu banyak dan memberikan solusi ketika penulis mendapatkan kesulitan. 4. Bapak Nurul Muhayat selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan saran, solusi dan bersedia membantu dalam penyusunan laporan ini. 5. Bapak Bambang Kusharjanta selaku dosen Teknik Mesin yang telah memberikan arahan dan ilmu tentang Friction Stir Welding. 6. Bapak Budi Kristanto, Bapak Triyono dan Bapak Sukmaji selaku dewan penguji yang telah memberikan saran dan kritik yang membangun. Terima kasih banyak atas segala masukan dan kritik yang diberikan kepada penulis. 7. Semua keluarga di Surakarta dan Boyolali yang telah memberikan doa dan dorongan semangat baik moral maupun materil kepada penulis selama pengerjaan Skripsi ini.
vi
8. Mas Fadillah Ardi Teknik Mesin 2011 yang telah membantu dan sebagai rekan seperjuangan dalam pengerjaan Skripsi ini. 9. Seluruh rekan Teknik Mesin khususnya angkatan 2012 yang telah membantu dalam penyususnan Skripsi ini. 10. Rekan Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin (KMTM) yang telah memberikan kemampuan soft skill berorganisasi. 11. Rekan Tim Bengawan UNS yang telah memberikan kemampuan hand skill dan teamwork. 12. Seluruh pihak yang secara langsung maupun tidak langsung yang telah memberikan bantuan dan dukungannya dalam pembuatan laporan ini yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan laporan ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran serta kritik yang dapat membangun laporan ini agar menjadi lebih baik. Akhir kata semoga laporan ini dapat memberikan manfaat dan berguna bagi kita semua. Amin.
Surakarta, 30 November 2016
Penulis
vii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL............................................................................................
i
SURAT PENUGASAN........................................................................................ ii HALAMAN PENGESAHAN.............................................................................. iii ABSTRAK........................................................................................................... iv ABSTRACT.........................................................................................................
v
KATA PENGANTAR.......................................................................................... vi DAFTAR ISI........................................................................................................ viii DAFTAR GAMBAR...........................................................................................
x
DAFTAR TABEL................................................................................................ xii DAFTAR LAMPIRAN........................................................................................ xiii DAFTAR NOTASI.............................................................................................. xiv BAB I PENDAHULUAN..................................................................................... 1 1.1.Latar Belakang Masalah..........................................................................
1
1.2.Perumusan Masalah................................................................................. 2 1.3.Batasan Masalah......................................................................................
2
1.4.Tujuan Penelitian....................................................................................
2
1.5.Manfaat Penelitian................................................................................... 2 1.6.Sistematika Penulisan..............................................................................
3
BAB II LANDASAN TEORI............................................................................... 4 2.1.Tinjauan Pustaka...................................................................................... 4 2.2.Dasar Teori..............................................................................................
9
2.2.1.Friction Stir Welding..................................................................... 9 2.2.2. Computational Fluid Dynamic (CFD).......................................... 13
viii
BAB III METODOLOGI PENELITIAN............................................................. 16 3.1.Lokasi Penelitian..................................................................................... 16 3.2.Alat Penelitian......................................................................................... 16 3.3.Metodologi Penelitian............................................................................. 16 3.3.1.Parameter Penelitian...................................................................... 16 3.3.2.Geometri Workpiece..................................................................... 16 3.3.3.Geometri Tool.............................................................................. 17 3.3.4.Meshing........................................................................................ 19 3.3.5.Kondisi Batas Pemodelan FSW................................................... 19 3.3.6.Metode Pengambilan Data Pemodelan FSW................................ 21 3.4.Validasi Pemodelan................................................................................. 22 3.5.Diagram Alir Penelitian........................................................................... 25 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN.............................................................. 26 4.1.Distribusi Temperatur FSW Variasi Diameter Shoulder........................ 26 4.2.Distribusi Temperatur FSW Variasi Bentuk Pin..................................... 33 BAB V PENUTUP............................................................................................... 40 5.1.Kesimpulan.............................................................................................. 40 5.2.Saran........................................................................................................ 40 DAFTAR PUSTAKA........................................................................................... 41 LAMPIRAN......................................................................................................... 44
ix
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Struktur mikro AA6061 dengan kombinasi parameter bentuk pin kotak dan diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm ........... 4 Gambar 2.2 Grafik hubungan diameter shoulder dan bentuk pin dengan yield strenght .............................................................................................. 4 Gambar 2.3 Pengaruh diameter shoulder terhadap temperatur ................................5 Gambar 2.4 Perbandingan hasil eksperimen dan komputasi peak temperature selama FSW AA 7075 – T6 ................................................................5 Gambar 2.5 Perbandingan distribusi temperatur antara simulasi dengan pengukuran termokopel ..................................................................... 6 Gambar 2.6 Domain pemodelan ............................................................................. 6 Gambar 2.7 Perbandingan distribusi temperatur antara data numerik dengan data eksperimental ..................................................................................... 7 Gambar 2.8 Perbandingan temperatur puncak pada sisi advance dan sisi retreat . 8 Gambar 2.9 Grafik hubungan jumlah sisi pin dengan temperatur puncak FSW .... 8 Gambar 2.10 Vektor aliran material pada FSW .......................................................9 Gambar 2.11 Skema proses FSW ........................................................................... 9 Gambar 2.12 Tahapan Proses FSW ...................................................................... 10 Gambar 2.13 Skema perpindahan panas ............................................................... 12 Gambar 2.14 Hubungan ukuran butir dengan sifat mekanik ................................ 14 Gambar 2.15 Bentuk-bentuk meshing .................................................................. 14 Gambar 3.1 Geometri workpiece AA6061-T6 ...................................................... 17 Gambar 3.2 Geomteri variasi diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm ........................................................................................... 18 Gambar 3.3 Geomteri variasi bentuk pin (a) segitiga, (b) segiempat dan (c) segilima ..........................................................................................18 Gambar 3.4 Meshing pada pemodelan FSW ..........................................................19 Gambar 3.5 Domain pemodelan FSW untuk variasi diameter shoulder .............. 19 Gambar 3.6 Domain pemodelan FSW untuk variasi bentuk pin .......................... 20 Gambar 3.7 Skema pengambilan data distribusi temperatur ................................ 21 Gambar 3.8 Geometri plat (a) AA6061-T6 dan (b) Geometri tool ....................... 22
x
Gambar 3.9 Kondisi batas validasi pemodelan dengan ANSYS .......................... 23 Gambar 3.10 Grafik perbandingan temperatur anatara hasil penelitian Siddiqui dengan software ANSYS ................................................................. 24 Gambar 3.11 Diagram alir penelitian .................................................................... 25 Gambar 4.1 Distribusi temperatur pada sisi advance (AD) dan retreat (RT) variasi diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm ............... 27 Gambar 4.2 Vektor kecepatan material pada sisi advance (AD) dan retreat (RT) variasi diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm ... 27 Gambar 4.3 Perbandingan kontur temperatur pada sisi advance (AD) dan retreat (RT) variasi diameter shoulder ........................................................ 28 Gambar 4.4 Distribusi temperatur di depan dan belakang pin pada variasi diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm .............................. 30 Gambar 4.5 Kontur temperatur di depan dan belakang pin variasi diameter shoulder ......................................................................................................... 30 Gambar 4.6 Hubungan diameter shoulder dengan temperatur puncak saat tool posisi (a) Z1, (b) Z2 dan (c) Z3 searah sumbu z (+) .................................. 32 Gambar 4.7 Kontak area pada diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm ................................................................................................... 32 Gambar 4.8 Distribusi temperatur pada sisi advance (AD) dan retreat (RT) variasi bentuk pin (a) segitiga, (b) segiempat dan (c) segilima ................... 34 Gambar 4.9 Aliran material disekitar pin (a) segitiga, (b) segiempat dan (c) segilima ......................................................................................................... 34 Gambar 4.10 Efek bentuk pin (a) segitiga, (b) segiempat dan (c) segilima oada struktur mikro AA2219 Al-Cu ......................................................... 35 Gambar 4.11 Hubungan bentuk pin dengan temperatur puncak saat tool posii (a) Z1, (b) Z2 dan (c) Z3 searah sumbu z (+) ........................................ 36 Gambar 4.12 Perbandingan kontur temperatur pada sisi advance (AD) dan retreat (RT) variasi bentuk pin .................................................................... 37 Gambar 4.13 Distribusi temperatur di depan dan belakang pada variasi bentuk pin (a) segitiga, (b) segiempat dan (c) segilima ..................................... 38 Gambar 4.14 Kontur temperatur di depan dan belakang pin variasi bentuk pin... 39
xi
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Parameter pemodelan FSW ....................................................................16 Tabel 3.2 Material properties AA6061-T6 ............................................................17 Tabel 3.3 Material properties HCS AISI1069 .......................................................17 Tabel 3.4 Perbandingan nilai temperatur antara peneltian Siddiqui dengan ANSYS ..................................................................................................23
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Tabel distribusi temperatur variasi diameter shoulder 15 mm ......... 45 Lampiran 2. Tabel distribusi temperatur variasi diameter shoulder 18 mm ......... 45 Lampiran 3. Tabel distribusi temperatur variasi diameter shoulder 21 mm ......... 45 Lampiran 4. Tabel distribusi temperatur variasi bentuk pin segitiga .................... 46 Lampiran 5. Tabel distribusi temperatur variasi bentuk pin segiempat ................ 46 Lampiran 6. Tabel distribusi temperatur variasi bentuk pin segilima................... 46 Lampiran 7. Tabel distribusi temperatur variasi diameter shoulder sepanjang sumbu Z............................................................................................ 47 Lampiran 8. Tabel distribusi temperatur variasi bentuk pin sepanjang sumbu Z . 47
xiii
DAFTAR NOTASI
Cp
= Kapasitas panas
(J/kg K)
k
= Konduktivitas termal
(W/m K)
h
= Koefisien konveksi
(W/m2K)
m
= Massa
( kg)
q
= perpindahan panas konveksi
(W/m2)
Q
= Energi panas
(J)
T
= Temperatur
(K)
Ta
= Temperatur sekitar
(K)
u,v,w
= Vektor kecepatan arah x, y, z
(m/s)
μ
= Viskositas
( Pa s)
xiv
