TUGAS AKHIR – RL 1585
PENGUKURAN TEGANGAN SISA MENGGUNAKAN DIFRAKSI SINAR-X DAN STRAIN GAUGE PADA SUBMERGED ARC WELDING RICHARD MARKUS BASARY NRP 2701 100 006 DOSEN PEMBIMBING Ir. MUSAIKAN JURUSAN TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2006
PENGUKURAN TEGANGAN SISA MENGGUNAKAN DIFRAKSI SINAR-X DAN STRAIN GAUGE PADA PENGELASAN SUBMERGED ARC WELDING
TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada Bidang Studi Metalurgi Manufaktur Jurusan Teknik Material Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh : RICHARD MARKUS BASARY Nrp. 2701 100 006
Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Ir. Musaikan
..............(Pembimbing)
2. Ir. Wahid Suherman
..............(Penguji I)
3. Ir. Rochman Rochiem, MSc
..............(Penguji II)
4. Haryati Purwaningsih, Ssi, Msi
………..(Penguji III)
SURABAYA AGUSTUS, 2006
PENGUKURAN TEGANGAN SISA MENGGUNAKAN DIFRAKSI SINAR-X DAN STRAIN GAUGE PADA PENGELASAN SUBMERGED ARC WELDING Nama Mahasiswa NRP Jurusan Dosen Pembimbing
: : : :
RICHARD MARKUS BASARY 2701 100 006 Teknik Material FTI-ITS Ir. MUSAIKAN
ABSTRAK Pada berbagai proses pengelasan, termasuk proses Submerged Arc Welding dengan sistem flux pelindung, selalu terjadi tegangan sisa. Pada dasarnya, tegangan sisa terjadi karena adanya pemuaian saat pemanasan dan penyusutan waktu pendinginan setelah proses pengelasan dilakukan. Tegangan sisa merupakan salah satu fenomena yang terjadi pada material, yang apabila diabaikan, dapat mengakibatkan material hasil proses pengelasan mengalami kegagalan pada saat beroperasi. Untuk mengetahui besar tegangan sisa yang terjadi, digunakan metode pelubangan dan metode difraksi sinar-x. Prinsip dari metode pelubangan adalah mendapatkan harga-harga regangan akibat pelubangan yang dilakukan, harga-harga tersebut dimasukan ke dalam suatu persamaan untuk menghasilkan nilai dari tegangan sisa. Prinsip difraksi sinar-x adalah mengetahui besarnya tegangan sisa antar kristal dalam material. Data hasil pengukuran difraksi sinar-x yang berupa puncak-puncak difraksi dianalisa lebih lanjut dengan membuat suatu permodelan dalam bentuk kurva Gaussian dan Lorentzian, sehingga nilai parameter U dari kurva tersebut dapat dimasukan ke persamaan dan didapakant nilai tegangan sisa. Dari hasil penelitian di ketahui nilai tegangan sisa (psi) untuk spesimen 1 Butt Joint, spesimen 2 Crossing joint satu sisi bebas dan spesimen 3 Crossing joint dua sisi rigid, nilainya tidak jauh berbeda. Nilai tegangan sisa antar kisi kristal (psi) dari X-Ray Diffraction juga mengindikasikan besarnya nilai tegangan sisa pada permukaan tidak jauh berbeda pada spesimen 1, spesimen 2 dan spesimen 3. Melalui pengamatan struktur mikro terdapat perbedaan ukuran dan bentuk butir Pearlit (α+Cementite) dan Ferrit pada daerah Base metal, Heat Affected Zone dan Weld metal. Kata kunci : Tegangan sisa, Submerged Arc welding, Strain Gauge, difraksi sinar-x
RESIDUAL STRESS CALCULATION USING X-RAY DIFFARACTION AND STRAIN GAUGE ON SUBMERGED ARC WELDING Name NRP Department Advisory Lecture
: RICHARD MARKUS BASARY : 2701 100 006 : Material Engineering FTI-ITS : Mr. Ir. MUSAIKAN
ABSTRACT On various welding process, include submerged welding arced process with flux-shielded system, residual stress always happened. Basically, residual stress happened because expansion occurred during heating and shrinkage occurred when cooling period after welding process had been done. Residual stress is one of the phenomenon happened to materials, when ignored, can caused failure in the operation of the material. To know the calculation of residual stress happened, hole drilling method and x-ray diffraction method can be used. The hole drilling method principle is first get the strain price of the drilling, then put that price into the equation to get the calculation of residual stress. The x-ray diffraction principle is to know residual stress at lattice crystal inside the materials. The data output of x-ray diffraction later will be analyzed with modeling using Gaussian and Lorentzian curve, so the value of U parameter of that curve can be putted to the equation to gain residual stress calculation. From research result, the value of residual stress (psi) specimen 1 Butt Joint, specimen 2 Crossing joint with one free side, specimen 3 Crossing joint with two rigid side are not differs too much. Residual stress data between crystal lattice (psi) from X-Ray Diffraction also indicate quite similar value on specimen 1, specimen 2 and specimen 3. Difference on size and shape of the grain was found on base metal, Heat Affected Zone and weld metal. Trough micro structure observation, difference in size and grain shape of Pearlit (a+cemetintite) and ferrite was found on base metal, Heat Affected Zone and weld metal. Keywords : Residual stress, Submerged arc welding, Strain gauge, xray diffraction.
KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Kuasa yang telah memberikan anugerah, karunia-Nya, sehingga akhirnya penulis dapat menyelesaikan seluruh kegiatan penelitian, penyusunan, dan penulisan Tugas Akhir ini. Penulisan Tugas Akhir ini mempunyai maksud dan tujuan untuk memenuhi persyaratan kelulusan yang harus dilengkapi oleh setiap mahasiswa S1 Teknik Material pada Program Studi Teknik Material – Fakultas Teknologi Industri – Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Secara langsung maupun tidak langsung, rangkaian kegiatan penelitian, penyusunan, dan penulisan Tugas Akhir ini tidak akan terwujud tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih atas motivasi dan dorongan yang telah diberikan dalam penyelesaian Tugas akhir ini kepada : 1. Bapak Ir. Musaikan selaku dosen pembimbing Tugas Akhir 2. Bapak Ir. Wahid Suherman selaku dosen penguji dan ketua Program Studi Teknik Material 3. Bpk Ir. Rocham Rochiem, Msc selaku dosen wali dan dosen penguji 4. Ibu Haryati Purwaningsih, Ssi. Msi selaku dosen pembimbing analisa difraksi sinar-x dan dosen penguji 5. Ibu Lizda Johar Mawarni, ST. MT selaku dosen pembimbing strain gauge 6. Bapak Mas Irfan Hidayat. ST selaku koorinator Tugas Akhir 7. Bapak Ir. Bambang Hari R. selaku pembimbing dalam pelaksanaan Tugas Akhir di PT. PAL Indonesia 8. Kedua Orangtua tercinta Bapak Samuel Basary, dan Ibu Nelcy Basary Mustakim yang telah memberikan dukungan doa, moril dan materi sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini
iii
Penulis menyadari bahwa isi dari Tugas Akhir ini masih terdapat banyak kekurangannya, oleh karena ketrbatasan dan ketersediaan alat pendukung eksperimen dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. Sehingga penulis mohon permaklumannya. Akhir kata semoga hasil dari Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membutuhkan.
Surabaya, Agustus 2006
Penulis
iv
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . KATA PENGANTAR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DAFTAR ISI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DAFTAR GAMBAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DAFTAR TABEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Perumusan Masalah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Batasan Masalah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Tujuan Penulisan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Sistematika Penulisan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
i iii v viii x 1 2 2 2 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tegangan Sisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Terjadinya Tegangan sisa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Distribusi Tegangan Sisa . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Pengukuran Tegangan Sisa . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3.1. Metode Pelubangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Difraksi Sinar-x oleh kristal . . . . . . . . . . . . . .. 2.1.5 Hukum Bragg dan syarat difraksi . . . . . . . . . . 2.2 Prinsip Submerged Arc Welding (SAW) . . . .
6 6 8 11 11 12 13 15
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Diagram Alir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Prosedur percobaan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Rancangan penelitian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Bentuk dan spesifikasi specimen uji . . . . . . . . . 3.8 Pengujian dan pengambilan data . . . . . . . . . . . 3.8.1 Persiapan material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8.1.1 Solvent degreasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8.1.2 Surface Abrading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8.1.3 Layout lines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18 19 20 22 25 25 26 26 27
v
3.8.1.4 Neutralizing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8.1.5 Handling dan Preparasi dengan Bonding M-Bond 200 . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 3.8.1.6 Bonding dengan M-Bond 200 . . . . . . . . . . . . . 3.8.2 Persiapan perhitungan tegangan sisa. . . . . . . 3.9.1 Pengambilan data difraksi sinar-x . . . . . . . . 3.9.2 Analisa data difraksi menjadi tegangan sisa dengan metode Rietveld . . . . . . . . . . . . . . . . BAB IV HASIL PENELITIAN 4.1 Hasil penelitian tegangan sisa Strain Gauge . . . 4.1.1 Percobaan 1 spesimen HSLA 1 Butt joint . . . . . 4.1.2 Percobaan 2 spesimen HSLA 1 Butt joint . . . . . 4.1.3 Percobaan 3 spesimen HSLA 1 Butt joint . . . . . 4.1.1 Percobaan 1 spesimen HSLA 2 Crossing Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Percobaan 2 spesimen HSLA 2 Crossing Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Percobaan 3 spesimen HSLA 2 Crossing Joint. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Percobaan 1 spesimen HSLA 3 Crossing Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Percobaan 2 spesimen HSLA 3 Crossing Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3 Percobaan 3 spesimen HSLA 3 Crossing Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Hasil pengamatan struktur mikro . . . . . . . . . . . 4.3 Hasil pengamatan untuk difraksi sinar-x . . . . . 4.3.1 Hasil pengamatan XRD untuk spesimen 1 Butt Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Hasil pengamatan XRD untuk spesimen 2 Crossing joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Hasil pengamatan XRD untuk spesimen 3 Crossing joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
vi
27 28 30 41 41 42
44 46 48 49 50 51 52 53 54 55 58 66 66 70 72
BAB V PEMBAHASAN 5.1 Tegangan sisa pada strain gauge . . . . . .. . . . . . . 5.2 Analisa struktur mikro terhadap sambungan.. . . 5.3 Analisa data dari difraksi sinar-x. . . . . . . . .. . . .
76 77 78
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Saran. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Daftar pustaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lampiran. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80 80 82 84
vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Hubungan antara kekuatan luluh, modulus Young dan koefisien muai . . . . . . . . Gambar 2.2 Pengaruh tegangan sisa pada penahanan Luar dan penahanan dalam pengelasan . . . . . . Gambar 2.3 Pembentukan tegangan sisa . . . . . . . . . . . . . . Gambar 2.4 Distribusi tegangan sisa pada sambungan hasil pengelasan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 2.5 Regangan yang terjadi pada kondisi Biaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 2.7 Hukum Bragg untuk difraksi sinar-x . . . . . . . . Gambar 2.8 Prinsip kerja submerged arc welding . . . . . . . Gambar 3.1 Diagram Alir percobaan . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 3.1 Dimensi material penelitian . . . . . . . . . . . . . . Gambar 3.2 Dimensi material logam hasil pengelasan . . . . Gambar 3.3 Spesimen yang dipersiapkan . . . . . . . . . . . . . . Gambar 3.4 CSM-1A, M-Prep Conditioner dan M-Prep Neutralizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 3.5 Strain Gauge setelah proses perekatan . . . . . . Gambar 3.6 Spesimen yang sedang di uji tegangan sisa . . Gambar 3.7 Proses pemasangan strain gauge. . . . . . . . . . . Gambar 3.8 Kondisi plane stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 3.9 Instrumen pengukur tegangan sisa . . . . . . . . . Gambar 3.10 Konfigurasi tiga satrain gauge yang digunakan dalam Penelitian . . . . . . . . . . . . . . Gambar 3.11 Prinsip kerja Philips X’Pert Diffractometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.1 Tegangan sisa arah sumbu-x . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.2 Tegangan sisa arah sumbu-y . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.3 Base metal spesimen 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.4 HAZ spesimen 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.5 Weld metal spesimen 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.6 Base metal spesimen 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.7 HAZ spesimen 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
viii
4 6 8 10 12 14 16 18 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 56 58 58 60 60 60 62
Gambar 4.8 Weld metal spesimen 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.9 Base metal spesimen 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.10 HAZ spesimen 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.11 Weld metal spesimen 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.12 Hasil XRD untuk spesimen 1 Butt Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.13 Hasil refinement XRD spesimen 1 Butt Joint Menggunakan software Rietica . . . . . . . Gambar 4.12 Hasil XRD untuk spesimen 2 Crossing Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.13 Hasil refinement XRD spesimen 2 Crossing Joint Menggunakan Rietica . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.12 Hasil XRD untuk spesimen 3 Crossing Joint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gambar 4.13 Hasil refinement XRD spesimen 3 Crossing joint Menggunakan Rietica . . . . . . . Gambar 4.14 Nilai tegangan sisa antara kisi kristal, analisa Rietveld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ix
62 62 64 64 66 66 70 70 72 72 74
DAFTAR TABEL Table 3.1 Tabel Rancangan Penelitian. . . . . . . . . . . . . . . . . . Table 4.1 Percobaan 1 spesimen 1 Butt joint. . . . . . . . . . . . Table 4.2 Percobaan 2 spesimen 1 Butt joint . . . . . . . . . . . . Table 4.3 Percobaan 3 spesimen 1 Butt joint . . . . . . . . . . . . Table 4.4 Percobaan 1 spesimen 2 Crossing joint . . . . . . . . Table 4.5 Percobaan 2 spesimen 2 Crossing joint . . . . . . . . Table 4.6 Percobaan 3 spesimen 2 Crossing joint . . . . . . . . Table 4.7 Percobaan 1 spesimen 3 Crossing joint . . . . . . . . Table 4.8 Percobaan 2 spesimen 3 Crossing joint . . . . . . . . Table 4.9 Percobaan 3 spesimen 3 Crossing joint . . . . . . . .
x
20 46 48 49 50 51 52 53 54 55
