JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
PENGARUH DURASI GESEK, TEKANAN GESEK DAN TEKANAN TEMPA TERHADAP IMPACT STRENGTH SAMBUNGAN LASAN GESEK LANGSUNG PADA BAJA KARBON AISI 1045 Sigied Prasetyono dan Ir. Hari Subiyanto.M.Sc Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Pengelasan gesek adalah pengelasan solid-state tanpa menggunakan logam pengisi dengan menggunakan metode tekanan dimana dua benda kerja yang akan disambung ditempatkan dalam kontak dan diatur gerakan relatif dalam tekanan, maka gesekan akan membangkitkan panas disekitar permukaan kontak, ketika sudah mencapai temperatur tempa maka diberikan tekanan tempa. tetapi proses pengelasan ini pada dasarnya sangat dipengaruhi oleh kecepatan putaran, durasi gesekan dan tekanan aksial (gesek, tempa). Dalam penelitian ini dilakukan pengelasan gesek langsung agar mempunyai sifat mekanik yang diinginkan. Proses yang dilakukan adalah dengan memvariasikan tekanan gesek sebesar 5.98 MPa, 11.96 MPa, dan 17.94 MPa dalam waktu gesekan 70 detik dan 90 detik sampai mencapai temperatur tertentu, kemudian diberikan variasi tekanan tempa sebesar 23.93 MPa, 33.5 MPa, 52.64 MPa dan menggunakan baja AISI 1045 sebagai benda kerja, kecepatan putar yang digunakan 4124 Rpm. Efek dari tekanan gesek, tekanan tempa dan durasi gesekan saat pengelasan yang bervariasi akan mempengaruhi kekuatan impact las gesek langsung. Sambungan lasan material AISI 1045 memiliki kekuatan impak yang semakin meningkat seiring dengan
penambahan tekanan gesek dan tekanan tempa, sehingga dapat membuat ikatan sambungan lebih baik. Karena weld metal mendapatkan input panas yang paling tinggi dan pada saat pendinginan ukuran butir yang terbentuk kecil. Struktur mikro pada base metal tidak terjadi banyak perubahan, sedangkan untuk daerah HAZ yang dekat dengan weld metal struktur mikronya berupa ferrit dan pearlit dengan dominasi perlit grain size kasar. Untuk weld metal sendiri struktur mikronya berupa ferrit dan pearlit halus. perubahan yang terlihat adalah banyak terdapat perlit sehingga akan menaikkan kekerasan dan kekuatan dengan semakin baiknya ikatan pada sambungan. Kata kunci: baja AISI 1045, kekuatan sambungan, durasi gesekan, tekanan gesek, tekanan tempa, pengelasan gesek langsung.
S
I. PENDAHULUAN alah satu cabang ilmu yang dipelajari pada teknik mesin adalah teknik pengelasan logam. Seiring dengan
perkembangan jaman, teknologi pengelasan telah mengalami perkembangan dengan pesat. Ditemukannya metode-metode baru untuk mengatasi permasalahan dalam proses penyambungan material merupakan petunjuk adanya perkembangan dalam teknologi pengelasan. Salah satunya adalah pengelasan gesek (friction welding). Pengelasan gesek (friction welding) merupakan salah satu solusi dalam memecahkan permasalahan penyambungan logam yang sulit dilakukan dengan fusion welding (pengelasan cair). Pada pengelasan gesek (friction welding) proses penyambungan logamnya tanpa pencairan (solid state proses) yang mana proses pengelasan terjadi sebagai akibat penggabungan antara laju putaran salah stu benda kerja yang berputar. Gesekan yang diakibatkan oleh pertemuan kedua benda kerja tersebut akan menghasilkan panas yang dapat melumerkan kedua ujung benda kerja yang bergesekan sehingga mampu melumer dan akhirnya terjadi proses penyambungan. Pada pengelasan gesek (friction welding) terjadi beberapa fenomenafisik seperti perubahan panas akibat gesekan deformasiplastis dan sebagainya. Adapun parameter penting dalam proses pengelasan gesek (friction welding) meliputi friction time, rotational speed, dan friction pressure. Parameter-parameter yang ditunjukkan diatas akan berpengaruh terhadap sifat mekanik hasil sambungan las gesek,salah satu sifat mekanik yang penting dalam aplikasinya terutama pada hasil sambungan las gesek adalah kekuatan impak. Kekuatan impak sambungan las perlu diketahui karena perlunya gambaran bagaimana sikap bahan apabila mengalami pembebanan mendadak dan juga sangat membantu dalam menentukan kepantasan bahan untuk penggunaan-penggunaan teknik. Wahyu nugroho (2010), dalam penelitiannya yang berjudul Pengaruh Durasi Gesek Tekanan gesek dan Tekanan Tempa terhadap Kekuatan Sambungan Lasan Gesek DirectDrive pada Baja Karbon AISI 1045 menjelaskan tentang pengaruh durasi gesek tekanan gesek dan tekanan tempa terhadap kekuatan tarik las gesek pada material baja karbon AISI 1045, dimana didapatkan kekuatan tarik meningkat seiring dengan bertambahnya durasi gesek , tekanan gesek, dan tekanan tempa. Hal ini disebabkan tekanan gesek dan durasi gesekan yang dilakukan sudah mencapai temperatur tempa, sehingga tekanan tempa, sehingga tekanan tempa sebagai fungsi meningkatkan temperatur dan penyambungan dapat melakukan ikatan yang sangat baik. Sedangkan pengaruh durasi gesek, tekanan gesek dan tekanan tempa
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 terhadap kekuatan impak las gesek pada baja karbon AISI 1045 belum diteliti. Pengelasan yang dilakukan dengan las gesek langsung terdapat tahap pengelasan yang semua variabelnya mempengaruhi satu sama lain. Karena sifatnya saling mempengaruhi maka las gesek langsung ini tidak boleh dilaksanakan dengan sembarangan sehingga bisa menyebabkan penurunan sambungan lasan, untuk itu dilakukan proses pengelasan gesek langsung agar bisa mengetahui variabel yang mempengaruhi kualitas hasil sambungan tanpa menggunakan filler sehingga cara pengelasan ini dirasa lebih effisien dan dapat meningkatkan sambungan las. Pada bagian yang akan diteliti adalah bagian hasil lasan yaitu kekuatan sambungan ditempat diberikannya gesekan (weld metal) akibat pengaruh variasi durasi gesekan, tekanan gesek serta tekanan tempa pada pengelasan gesek langsung, sehingga dapat diketahui bagaimana perubahan yang terjadi pada kekuatan sambungan pada bagian tersebut Dalam penelitian ini digunakan material baja karbon AISI 1045 yang memiliki kekuatan dan ketangguhan lebih. Beberapa penggunaan material ini terutama untuk pembuatan komponen-komponen permesinan dimana memungkinkan untuk dilakukan proses pengelasan gesek. Dari beberapa hasil penelitian diatas masih belum diketahui pengaruh tekanan gesek, waktu pengelasan dan tekanan tempa terhadap kekuatan impak sambungan las gesek. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian tentang bagaimana pengaruh tersebut untuk menghasilkan impact strength sambungan las gesek pada baja karbon AISI 1045. II. METODE PENELITIAN Benda uji pada penelitian ini adalah baja poros dengan kadar karbon 0.45%, dan memiliki panjang 100 mm dan diameter 16 mm. faktor utama yang mempengaruhi sifat dari baja karbon adalah kandungan karbon dan struktur mikro yang ditentukan oleh komposisi baja seperti : C, Mn, Si, P, S, Cr, Ni, CU dan elemen sisanya : Mo, V, Al. Berdasarkan standarnya, baja karbon ini termasuk dalam AISI 1045. Material ini mempunyai komposisi kimia yang sesuai dengan sertifikat material dengan komposisi kimia dan sifat mekanik seperti pada tabel. Tabel sifat – sifat mekanis Baja Karbon AISI 1045 Tensile Yield Elongation Reduction Strength Strength Test (Rm) (Rp 0.2) Brinell % % 2 No N/mm N/mm2 1 230 705 390 24 40 2 230 705 400 23 40.5 3 229 600 355 16 40 Pada proses friction welding untuk material AISI 1045 ini dimulai dengan friction phase dan dilanjutkan forging phase dengan durasi penempaan selama 2 detik. Penjelasan tentang kedua proses ini sebagai berikut:
2 Proses pengelasan dari material AISI 1045 dimulai dengan membangkitkan panas spesimen uji dengan cara memutar rotating chuck sampai kecepatan konstan kemudian ditekan sampai kedua permukaan mengalami kontak langsung dengan 5.98 MPa, 11.96 MPa dan 17.94 MPa. Spesimen uji diputar dengan kecepatan putaran poros 4124 Rpm dari temperatur kamar sampai temperatur tempa dan dalam waktu 70 detik, 90 detik. Ketika proses friction dilakukan maka masing–masing spesimen akan mengalami upsett awal pada kedua permukaan yang disambung. Setelah waktu yang ditentukan terpenuhi kemudian dilakukan pengukuran temperatur pada spesimen pada permukaan dimana dua benda kerja mengalami gesekan kemudian dilanjutkan dengan fase tempa. Skema proses direct-drive friction welding dapat ditunjukkan seperti pada gambar dibawah ini.
Tekanan gesek 5.98, 11.96 dan 17.94 MPa
Gambar Skema proses direct-drive friction welding Fase tempa (forging phase) dari material AISI 1045 ini dimulai setelah proses friction selesai yaitu setelah spesimen uji diberikan tekanan gesek mencapai waktu gesekan yang telah ditentukan, Selanjutnya putaran diperlambat dengan cara direm hingga kondisi berhenti kemudian setelah itu spesimen uji ditekan kembali dengan tekanan tempa sebesar 23.93 MPa, 33.5 MPa dan 52.64 MPa, sehingga proses tempa dapat dilaksanakan. Setelah semua proses pada fase tempa dilakukan maka spesimen uji didinginkan hingga temperatur ruangan dengan media udara. Proses direct Friction Welding dilakukan pada spesimen yang telah dipotong dan dihaluskan permukaan yang akan disambungan agar rata. Spesimen awal mempunyai dimensi 100 x 16 mm sebanyak 54 potong untuk uji impak. Adapun prosesnya adalah sebagai berikut: 1. Spesimen terlebih dahulu dibubut pada pemukaan yang akan digesek, kemudian dibersihkan dari kotoran, karat dan minyak yang menempel. 2. Spesimen dicekam pada non rotating chuck dan rotating chuck sampai kecepatan konstan, kemudian diberi tekanan gesek sebesar 5.98 MPa, 11.96 MPa dan 17.94 MPa, kemudian diputar untuk menghasilkan gesekan dengan durasi gesekan selama 70 detik dan 90 detik sampai pada temperatur tempa (sekitar 900oC – 1200oC). Proses pengelasan dilakukan pada temperatur kamar (30oC). 3. Setelah temperatur terpenuhi maka motor dimatikan sehingga putaran mengalami perlambatan.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
5. 6.
Setelah putaran mengalami perlambatan maka benda kerja yang berputar dihentikan dengan cara pengereman. kemudian spesimen diberikan tekanan dengan tekanan tempa sebesar 23.93 MPa, 33.5 MPa, 52.64 MPa. Proses akhir dari friction welding ini adalah dengan cara mendinginkan spesimen dengan media udara bebas sampai temperatur ruangan (30o).
Untuk Pengujian Impact, Test piece (spesimen) dibuat berdasarkan standard JIS Z 2202 atau ASTM E23-94a, berbentuk empat persegi panjang dengan penampang 10x10x55 mm. Pada salah satu permukaan (tepat ditengah) diberi suatu notch yang berbentuk V-notch. Pemukulan dan penempatan test piece sesuai metode charpy, dimana batang uji di tumpukan pada kedua ujungnya, diletakkan horizontal dan arah pukulan searah dengan takikan. Asapun prosedur pengujian Impact yaitu : 1. Spesimen dengan dimensi 10x10x55 mm dan terdapat takikan 45o, seperti gambar. 2. Spesimen uji diletakkan pada landasan (anvil). Notch / takik harus terletak di tengah-tengah. Arah notch menghadap ke arah yang berlawanan dengan datangnya bandul. 3. Bandul / beban dinaikkan setinggi (h) atau sebesar sudut α (156o). 4. Posisi jarum petunjuk skala diatur pada posisi nol (0) 5. Bandul dilepas 6. Setelah memukul spesimen uji, bandul masih akan berayum setinggi (h) atau sebesar β, sudut β diamati kemudian dicatat. 7. Energi yang digunakan untuk mematahkan spesimen uji dapat dilihat pada jarum skala penunjuk dan dicatat 8. Impact strength dari material dihitung.
25 20
Impact strength (J/mm2)
4.
3
Tekanan Gesek 5,98
15
Tekanan Gesek 11,96
10
Tekanan Gesek 17,94
5 0 23.93
33.5
52.64
Tekanan Tempa (MPa)
Gambar Grafik kekuatan Impak terhadap tekanan gesek dan tempa dengan durasi 70 detik Berdasarkan gambar pada grafik dengan durasi 70 detik fenomena yang terjadi yaitu tekanan gesek dan tempa mempengaruhi kekuatan impak, semakin tinggi tekanan gesek dan tempa yang diberikan maka kekuatan impakya semakin tinggi pula. patahnya spesimen pada daerah weld metal tersebut ketika diuji impak disebabkan durasi gesekan dan tekanan gesek yang dilakukan belum mencapai temperatur tempa, sehingga ketika diberikan tekanan tempa, maka tekanan tersebut tidak mampu dalam membuat ikatan yang bagus pada interface. itu juga dikarenkan HAZ adalah subjek pendinginan cepat karena terjadi perpindahan panas ke base metal yang dingin. Karena tekanan tempa yang diberikan besar maka mengakibatkan deformasi plastis sehingga terjadi perubahan bentuk yaitu dengan adanya flash .
Gambar Dimensi spesimen uji impact (satuan dalam mm)
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Diagram Hasil Uji Tarik Dari percobaan dengan variasi durasi gesek, tekanan gesek dan tekanan tempa yang telah dilakukan, didapatkan data sifat mekanik yaitu kekuatan tarik,
Impact Strength (J/mm2)
40 30
Tekanan gesek 5,98
20
Tekanan gesek 11,96
10 0 23.93
33.5
52.64
Tekanan gesek 17,94
Tekanan Tempa (MPa) Gambar Grafik kekuatan Impak terhadap tekanan gesek dan tempa dengan durasi 90 detik
Gambar Spesimen Impact
Pada grafik dengan durasi 90 detik dapat dilhat bahwa kekuatan impak berubah seiring dengan adanya penambahan tekanan gesek dan tempa, maka ketika diuji impak spesimen patah pada daerah weld metal, fenomena tersebut dikarenakan
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 tekanan gesek dan durasi gesekan yang dilakukan sudah mencapai temperatur tempa, sehingga tekanan tempa sebagai fungsi mencegah turunnya temperatur dengan cepat dan membuat ikatan dapat membuat sambungan dengan baik. Ketika sambungan pada weld metal sempurna maka akan meningkatkan kekuatan sambungan, sehingga posisi patahan bergeser ke daerah HAZ. Bila terjadi patah di daerah HAZ, maka harus dibandingkan dengan kekuatan impak standard untuk logam induknya. Bila kekuatan impak spesimen uji yang patah di daerah HAZ masih di dalam range standar kekuatan impak base metal, maka meskipun terjadi patah di HAZ, sambungan las tersebut masih dikatakan aman. Karena pengaruh pemanasan dan pendinginan maka ukuran butir berubah menjadi perlit halus jarak antar lamel lebih tipis, sehingga memiliki sifat yang lebih keras dan kuat. Foto Struktur Mikro
4 Durasi gesek dan tekanan gesek mempengaruhi temperatur yang dibangkitkan pada saat gesekan berlangsung, semakin tinggi durasi gesek dan tekanan gesek maka temperatur yang dibangkitkan semakin tinggi. Daerah HAZ yang berdekatan dengan weld metal struktur mikronya berupa ferit dan perlit dengan grain size yang halus. Hal ini terjadi karena daerah HAZ mendapat pengaruh panas selama proses pengelasan. Daerah HAZ yang dekat dengan base metal hanya mendapat pengaruh panas yang rendah bila dibandingkan dengan daerah HAZ yang dekat dengan daerah weld metal. Semakin dekat dengan weld metal, maka grain sizenya semaki kecil. Pada gambar diatas dapat dilihat pada umumnya struktur mikro dari daerah weld metal berupa ferit dan perlit halus (ukuran butirnya kecil). Daerah permukaan tempa merupakan daerah yang menerima panas paling tinggi dan juga pendinginan paling cepat, tetapi pada struktur mikronya tidak ditemukan adanya martensit. Hal tersebut dikarenakan las gesek langsung tidak menggunakan filler, sehingga logam las merupakan logam induk yang menjelang cair dan kadar karbonnya kecil, maka sangat sulit terbentuk martensit. Dari gambar diatas juga dapat kita korelasikan antara kekuatan dengan gambar metallography diatas, bahwa dengan semakin tingginya durasi gesekan, tekanan gesek dan tempa maka temperaturnya akan semakin tinggi, sehingga ketika mencapai temperatur diatas rekristalisasi maka akan merubah sifat mekanik dari baja itu sendiri, sehingga ketika temperatur diatas rekristalisasi maka struktur mikro akan berubah, terutama pada daerah HAZ yang dekat dengan weld metal. Dapat dilihat bahwa perubahan yang terlihat adalah pada weld metal banyak terdapat perlit sehingga akan menaikkan kekerasan dan kekuatan. Sedangkan untuk weld metal kekuatan akan semakin naik dengan semakin baiknya ikatan pada sambungan, ketika ikatan sudah tersambung dengan baik maka impact strength akan mengalami kenaikan.
IV. KESIMPULAN
Gambar Struktur mikro parameter durasi gesek 90 detik, tekanan gesek 17.94 MPa dan tekanan tempa 52.64 MPa. Pengamatan pada struktur mikro suatu material yang mengalami proses pengelasan akan dilakukan pada 3 tempat yaitu pada daerah base metal, HAZ dan daerah weld metal. Ketiga daerah itu mendapatkan perlakuan yang berbeda pada saat proses pengelasan berlangsung,dengan adanya perlakuan yang berbeda maka ketiganya pun memiliki struktur mikro yang berbeda pula. Pada gambar diatas pada umumnya base metal tidak mengalami cold work, dimana struktur mikronya terdiri dari ferit dan perlit yang tidak terlalu pipih, dikarenakan prosentase terpengaruh cold work kecil. Struktur mikro dari base metal karena pada proses las gesek direct-drive daerah base metal tidak mengalami efek panas yang dapat merubah struktur mikronya. Karena struktur mikro dari baja itu sendiri akan berubah apabila dikenai panas sampai temperatur diatas temperatur rekristalisasi.
Dari pengelasan yang dilakukan dengan merubah durasi gesek, tekanan gesek dan tekanan tempa, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Sambungan lasan material AISI 1045 memiliki kekuatan impak yang semakin meningkat seiring dengan penambahan tekanan gesek dan tekanan tempa, sehingga dapat membuat ikatan sambungan lebih baik. sedangkan untuk sifat hardness dapat dilihat bahwa nilai kekerasan tertinggi tertinggi terdapat pada daerah weld metal, sedangkan kekerasan terendah terdapat pada daerah base metal. yaitu dengan nilai 296HV, dan 246 HV. Hal ini disebabkan oleh karena weld metal mendapatkan input panas yang paling tinggi dan pada saat pendinginan ukuran butir yang terbentuk kecil. 2. Struktur mikro pada base metal tidak terjadi banyak perubahan, sedangkan untuk daerah HAZ yang dekat dengan weld metal struktur mikronya berupa ferrit dan pearlit dengan dominasi perlit grain size kasar. Untuk weld metal sendiri struktur mikronya berupa
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 ferrit dan pearlit halus. perubahan yang terlihat adalah banyak terdapat perlit sehingga akan menaikkan kekerasan dan kekuatan dengan semakin baiknya ikatan pada sambungan.
DAFTAR PUSTAKA [1] Olson, D.Leroy., Siewert, A.thomas., Liu, Stephen., Edward,G.R., 1993, “WELDING, BRAZING, AND SOLDERING vol 6”, ASM International, New York. [2] Navar, A., 2002, “The Steel Handbook”, McGraw Hill, New York. [3] Callister, William D, 1994, Materials Science And Engineering, John Willey & Sons,Inc. USA. [4] Deutschman, Aaron D, Machine Design Theory and Practice, Macmullian Publishing Co. [5] Weman, Klas., 2003, “Welding Process Handbook”, Woodhead, Cambride,. England. [6] JIS Handbook, 1998, ‘Ferrous Material and Metallurgy II”, Japanese Standard Association, Tokyo. [7] Kalpakjian,Serope dan Steven R. Oswald.2001.”Manufacturing Engineering and Technology”.London:Prentice-Hall International. [12] http://www.google.com/Baja AISI 1045/2010 http://www.google.com/Direct-drive friction [13] welding.pdf/2010 [14] http://www.wikipedia.com/friction welding/2010 [15] http://www.spin weld.com.pdf/2011
5
