Jurnal
e-Dinamis, Volume.10, No.2 September
2014
ISSN 2338-1035
STUDI KEKUATAN TARIK LAS DARI BAHAN PLAT DASAR ALUMINIUM – MAGNESIUM Andi Kurniawan1 , Ikhwansyah Isranuri2 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara
[email protected]
1,2
ABSTRAK Aluminium merupakan logam putih keperakan yang lemah dan lunak, tetapi bila dipadukan dengan sejumlah unsur logam lain seperti ( Mg, Cu, Si) dapat meningkatkan kekuatan dari aluminium. Karena paduan aluminium mempunyai sifat mampu las yang relatif rendah bila dilkukan penanganan las TIG terhadap aluminium paduan sehingga nantinya akan diperoleh hasil pengelasan yang baik. Penelitian yang dibuat ini adalah dengan menambahkan magnesium kedalam aluminium sesuai variasi yang dikerjakan yaitu 2%, 4% dan 6% unsur magnesium saat pengecoran. Setalah itu dilakukan pengujian tarik dan foto mikro. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari kekuatan tarik pada sambungan las TIG pada aluminium paduan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kekuatan tarik yang optimum adalah pada komposisi 94 % 2 aluminium dan 6 % magnesium dengan karakteristik sebagai berikut: 199 N/mm , elongasi 4.2 %. Pada hasil mikrostruktur berwarna hitam yang menunjukkan Magnesium dan warna putih keperakan merupakan aluminium. Semakin meningkat penambahan unsur magnesium terhadap aluminium, maka semakin meningkat juga kekuatan tariknya. Kata kunci : Las TIG, Aluminium, Magnesium, sifat mekanis, foto mikro.
1. PENDAHULUAN Teknologi pengelasan merupakan salah satu bagian yang tidak dapat dipisahkan dalam teknologi manufaktur. Secara umum pengelasan dapat diartikan sebagai suatu ikatan metalurgi pada sambungan logam ataupun logam paduan yang dilaksanakan pada saat logam dalam keadaan cair. Dalam hal pengelasan, paduan aluminium memang mempunyai sifat yang kurang baik bila di bandingkan dengan baja. Salah satu alasannya adalah paduan aluminium mudah teroksidasi dan mempunyai berat jenis yang rendah, karena itu banyak zatzat lain yang terbentuk selama pengelasan akan tenggelam. Keadaan ini memudahkan terkandungnya zat-zat yang tidak di kehendaki ke dalamnya. Akhir-akhir ini sifat yang kurang baik tersebut telah dapat di atasi dengan alat dan teknik las yang lebih maju dan dengan menggunakan gas mulia sebagai pelindung selama pengelasan. Dengan kemajuan ini maka sifat mampu las dari paduan aluminium menjadi lebih baik. Bahan ini dipilih karena memiliki karakteristik khas dan keunggulan yang
tidak dimiliki oleh bahan lain untuk kondisi operasional dan mudah dibentuk maupun dilakukan proses permesinan. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1.Sejarah Aluminium Aluminium pertama kali ditemukan tahun 1825, logam ini dialam bebas terdapat pada bauksit yang berupa senyawa oksida lumanium yang tidak murni, selain itu terdapat silika dan oksida besi. Untuk memisahkan aluminium dari unsur-unsur diatas dikembangkan proses reduksi elektrolisa, sehingga dihasilkan aluminium dengan kadar Al (90 - 98) %, Aluminium murni mempunyai sifat lunak dan kurang kuat terhadap gesekan. Berat Jenis Alumunium murni 2643 kg/m3 sedangkan titik cair aluminium 660oC. Kekerasan permukaan aluminium murni 17 BHN sedangkan kekuatan tarik maksimum adalah 4,9 kg/m2. Untuk memperbaiki sifat mekanis aluminium dilakukan dengan memadukan dengan unsur-unsur lain seperti tembaga, silisium, magnesium, mangan, dan nikel. Paduan aluminium ini memiliki beberapa
82
Jurnal
e-Dinamis, Volume.10, No.2 September
2014
ISSN 2338-1035
keunggulan misainya Al-Si, Al-Cu-Si digunakan untuk bagian mesin, Al-Cu-NiMg dan Al-Si-Cu-Ni-Mg digunakan untuk bagian mesin yang tahan panas, sedangkan Al-Mg untuk bagian yang tahan korosi. Aluminium dapat menghantarkan arus listrik dua kali lebih besar jika dibandingkan dengan tembaga. Karena Aluminium tidak mahal dan ringan, maka Aluminium sangat baik untuk kabel-kabel listrik overhead maupun bawah tanah[1]. 2.2.Sejarah Magnesium Magnesia merupakan daerah di Thessaly. Senyawa-senyawa Magnesium telah lama diketahui. Black telah mengenal Magnesium sebagai elemen pada tahun 1755. Davy berhasil mengisolasikannya pada tahun 1808 dan Busy mempersiapkannya dalam bentuk yang koheren pada tahun 1831. Magnesium merupakan elemen terbanyak kedelepan di kerak bumi. Magnesium tidak muncul tersendiri, tapi selalu ditemukan dalam jumlah deposit yang banyak dalam bentuk magnesite, dolomite dan mineral-mineral lainnya. Logam ini sekarang dihasilkan di Amerika Serikat dengan mengelektrolisis Magnesium klorida yang terfusi dari air asin, sumur, dan air laut. 2.3. Paduan Aluminium-Magnesium Keberadaan Magnesium hingga 15,35% dapat menurunkan titik lebur logam paduan yang cukup drastis, dari 660oC hingga 450oC. Namun, hal ini tidak menjadikan Aluminium paduan dapat ditempa menggunakan panas dengan mudah karena korosi akan terjadi pada suhu di atas 60oC. Keberadaan Magnesium juga menjadikan logam paduan dapat bekerja dengan baik pada temperatur yang sangat rendah, di mana kebanyakan logam akan mengalami failure pada temperatur tersebut. Gambar diagram fasa Aluminium-Magnesium dapat dilihat pada gambar
Gambar 1.Diagram Fasa paduan Al- Mg Temperatur vs Persentase Mg 2.4. Pengecoran Pengecoran logam merupakan salah satu ilmu pengetahuan tertua yang dipelajari oleh umat manusia. Ilmu pengecoran logam terus berkembang dengan pesat. Berbagai macam metode pengecoran logam telah ditemukan dan terus disempurnakan, diantaranya adalah centrifugal casting, investment casting, dan sand casting serta masih banyak lagi metode-metode lainnya seperti gambar 2. Pengecoran adalah membuat komponen dengan cara menuangkan bahan yang dicairkan ke dalam cetakan. Bahan di sini dapat berupa metal maupun non-metal. Untuk mencairkan bahan diperlukan furnace (dapur kupola). Furnace adalah sebuah dapur atau tempat yang dilengkapi dengan heater (pemanas). Bahan padat dicairkan sampai suhu titik cair dan dapat ditambahkan campuran bahan seperti chrome, silikon, titanium, Aluminium dan lain-lain agar bahan menjadi lebih baik.
Gambar 2. Saluran masuk
83
Jurnal
e-Dinamis, Volume.10, No.2 September
2.5. Proses Pengelasan Pengelasan TIG (tungsten inert gas welding ) adalah jenis las listrik yang menggunakan bahan tungsten sebagai elektroda tidak terkonsumsi. Elektroda ini digunakan hanya untuk menghasilkan busur nyala. Arc terbakar antara elektroda tungsten dan bagian yang dikerjakan; elektrodanya tidak meleleh, jadi hanya berfungsi sebagai penghantar arus dan pembawa arc. Gas tungsten arc welding (GTAW) ini paling sering digunakan untuk mengelas bagian tipis dari stainless steel dan non-ferrous logam seperti aluminium , magnesium , dan tembaga paduan. Proses Hibah ini operator lebih besar daripada proses las bersaing seperti las busur metal terlindung dan gas metal arc welding , memungkinkan untuk lebih kuat, las kualitas tinggi. Namun, GTAW relatif lebih kompleks dan sulit untuk menguasai, dan lebih jauh lagi, hal itu secara signifikan lebih lambat daripada kebanyakan teknik pengelasan lainnya. Sebuah proses yang terkait, plasma arc welding , menggunakan obor las yang sedikit berbeda untuk membuat las busur lebih fokus dan sebagai hasilnya sering otomatis. Pengelasan bukan tujuan utama dari konstruksi, tetapi hanya sarana untuk mencapai ekonomi pembuatan yang lebih baik[2]. Karena itu rancangan las dan cara pengelasan harus benar–benar memperhatikan kesesuaian antara sifat – sifat las dan kegunaan konstruksi serta keadaan di sekitarnya. 2.6.Elektroda Tungsten Elektroda tungsten adalah elektroda tidak terumpan (nonconsumable electode) yang berfungsi sebagai pencipta busur nyala saja yang digunakan untuk mencairkan kawat las yang ditambahkan dari luar dan benda yang akan disambung menjadi satu kesatuan sambungan. Elektroda ini tidak berfungsi sebagai logam pengisi sambungan sebagaimana yang biasa dipakai pada elektroda batang las busur metal maupun elektroda gulungan pada las MIG.
2014
ISSN 2338-1035
Tabel 1. Elektroda Tungsten[3]. 2.7. Uji Tarik Uji tarik termasuk dalam pengujian bahan yang paling mendasar. Pengujiannya sangat sederhana dan sudah memiliki standarisasi di seluruh dunia (Amerika ASTM E8 dan Jepang JIS 2241). Dengan melakukan uji tarik suatu bahan, maka akan diketahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap energi tarikan dan sejauh mana material itu bertambah panjang. Alat eksperimen untuk uji tarik ini harus memiliki cengkeraman (grip) yang kuat dan kekakuan yang tinggi (highly stiffness). Gambar mesin uji tarik dapat dilihat pada gambar 3.
Gambar 3. Skema Mesin Uji Tarik (Tensile Test) Sifat material dari uji tarik Aluminium dapat dilihat pada gambar 4.
84
Jurnal
e-Dinamis, Volume.10, No.2 September
Gambar 4. Diagram tegangan-regangan Aluminium. Tegangan normal tesebut akibat gaya tarik dapat ditentukan berdasarkan persamaan dibawah ini : =
2014
ISSN 2338-1035
Aluminium: 2750 gram Magnesium yang diinginkan Magnesium: 50 gram = 50 Solusi : 2750 x
a = %
jadi, a =
= 1,818 %
Dan ∆
= x 100 % Hubungan kedua persamaan ini adalah: σ E = ε I.[4] Dimana : = Tegangan (MPa) = Regangan (%) 1 = Panjang akhir (cm) 0 = Panjang awal (cm) E = Modulus elastisitas (MPa) 2.8.Foto Mikro Untuk mendapatkan kemampuan resolusi dari lensa objektif yang digunakan, kontras bayangan haruslah mencukupi. Kontras bayangan bergantung pada persiapan spesimen dan optika. Perbedaan pada pemantulan sinar dari permukaan spesimen mengakibatkan adanya amplitudo bentuk yang dapat dilihat oleh mata setelah adanya perbesaran. Perbedaan fase yang ditimbulkan oleh pemantulan sinar pasti dapat dilihat dengan penggunaan fase kontras atau dengan menambahkan alat interferensi kontras pada mikroskop. 2.9. Variabel Riset dan Analisis Sebelum peleburan dilakukan, terlebih dahulu ditentukan Aluminium yang ingin dilebur. Pada penelitian ini ada 3 variasi yang dikerjakan. Peleburan pertama Aluminium dibutuhkan sebanyak 2,75 kg dimana Magnesium yang akan dipadu sebanyak 2%, sehingga dapat diketahui kekuatan tarik yang terkandung dalam paduan Aluminium-Magnesium. Tetapi pada peleburan selanjutnya, kandungan Magnesium yang akan dicampur bervariasi. Pada peleburan pertama, total Aluminium-Magnesium yang akan dilebur 2,8 kg. Aluminium 2,75 kg, jadi Magnesium yang dibutuhkan 50 gram. Perhitungannya sebagai berikut : Keterangan:
3. METODOLOGI PENELITIAN Metode Penelitian adalah cara yang dipakai dalam suatu kegiatan penelitian, sehingga mendapatkan hasil yang dapat dipertanggung jawabkan secara akademis dan ilmiah. Pada penelitian ini penulis meneliti tentang hasil pengelasan TIG untuk mengetahui sifat mekanik dari paduan aluminium magnesium setelah dilakukan pengelasan. Dalam penelitian ini sampel yang di gunakan adalah plat paduan Al-Mg yang telah di las kemudian di bentuk benda uji sesuai standar ASTM E8-00b. 3.1 Waktu Dan Tempat Penelitian 3.1.1.Tempat Penelitian dilakukan di laboratorium mekanik universitas sumatera utara dan PT. Aneka Gas Industri. 3.1.2.Waktu Waktu penelitian dilaksanakan pada bulan Desember 2012 sampai dengan selesai. 3.2 Tahapan Persiapan Bahan dan Peralatan 3.2.1 Persiapan bahan baku Bahan baku yang digunakan pada percobaan ini adalah : - Aluminium ingot, seperti pada gambar 5
85
Jurnal
e-Dinamis, Volume.10, No.2 September
Gambar 5 Aluminium dalam bentuk batangan. - Magnesium ingot, seperti gambar 6.
2014
ISSN 2338-1035
berguna untuk mengangkat kotoran pada saat proses pengecoran. d. Setelah bersih, tahan pada suhu sekitar 7250 C e. Panaskan cetakan pada suhu 300 oC agar pada saat penuangan logam coran tidak membeku sebelum memenuhi cetakan. f. Masukkan logam coran ke dalam cetakan, usahakan cetakan jangan terlalu jauh letaknya dengan dapur pengecoran. g. Setelah itu buka cetakan dan keluarkan hasilnya dari cetakan serta dinginkan dengan pendingin
Gambar 6. Magnesium dalam bentuk batangan 3.2.2
peralatan
yang
di
gunakan - Skrap aluminium dan skrap magnesium - Pola dari logam dan pasir cetak - Timbangan digital - Gergaji tangan - Ampelas - Tang penjepit
udara. Gambar 7. Dapur peleburan
3.3 Proses peleburan
3.4 Proses pengelasan TIG
Adapun langkah-langkah yang di lakukan dalam melakukann proses peleburan yaitu :
Las gas tungsten (las TIG) adalah proses pengelasan dimana busur nyala listrik ditimbulkan oleh elektroda tungsten (elektroda tak terumpan) dengan benda kerja logam. Daerah pengelasan dilindungi oleh gas lindung (gas tidak aktif) agar tidak berkontaminasi dengan udara luar. Kawat las dapat ditambahkan atau tidak tergantung dari bentuk sambungan dan ketebalan benda kerja yang akan dilas.
Langkah proses pengecoran paduan aluminium dengan magnesium dengan menggunakan cetakan logam adalah sebagai berikut : a. Sebelum cetakan di gunakan, cetakan harus dibersihkan dulu serta disemprotkan kapur cair ke dalam permukaannya agar bersih serta pada saat akan mengambil coran tidak lengket pada cetakan b.Peleburan aluminium ingot sebagai bahan dasar dan ingot magnesium sesuai keperluan.,lihat gambar 7. c.Setelah aluminium mencair semua kemudian masukkan fluks. Fluks
Perangkat yang dipakai dalam pengelasan las gas tungsten adalah: 1) Mesin las AC/ DC 2) Tabung gas lindung 3) Regulator gas lindung 4) Flowmeter untuk gas
86
Jurnal
e-Dinamis, Volume.10,, No.2 No. September
5)Selang
gas
dan
perlengkapan
pengikatnya 6) Kabel elektroda dan selang 7) Stang las (welding torch) 8) Elektroda tungsten 9) Kawat las 10)Assesories pilihan dapat sistem pendinginan air
2014
ISSN 2338-1035 2338
selanjutnya dilakukan pembuatan spesimen uji tarik sesuai standar. Standar yang digunakan untuk pengujian tarik ini adalah ASTM E 8M8M 00b. Panjang awal spesimen uji (Lo) adalah 60 mm, lebar awal (W o) adalah 12,5 mm, dan panjang keseluruhan spesimen uji adalah 200 mm. Lihat gambar 10(a), 10 (b).
berupa
pesimen uji tarik Gambar 10(a). Spesimen Setelah di gerinda Gambar 8. Mesin Las AC/DC Parameter pengelasan : Tegangan (volt) : 25 v Arus (ampere) : 200 A Kecepatan (mm/s) : 11,3 mm/s - Masukan panas (Kj) : 4,42
Gambar 9. Elektroda Tungsten Kawat las berfungsi sebagai bahan tambah. Tambahkan kawat las jika bahan dasar yang dipanasi nasi dengan busur tungsten sudah mendekati cair. 3.5 Spesimen Uji Tarik 3.5.1 Set Up Pengujian Tarik Setelah semua proses pengelasan selesai dilakukan,
Gambar 10 (b) Standar uji tarik sesuai ASTM E 8 M- 00b[5]. ]. Keterangan: Lt = Panjang Spesimen Uji = 200 mm W= Lebar = 20 mm T = Tebal Pelat = 6 mm 3.5.2 Prosedur Pengujian Langkah pengujian kekuatan tarik sebagai berikut : a. Menyiapkan kertas milimeter block dan letakkan kertas tersebut pada plotter. b. Benda uji mulai mendapat beban tarik dengan menggunakan tenaga hidrolik diawali 0 kg hingga benda putus pada beban maksimum yang dapat ditahan benda tersebut. c. Benda uji yang sudah putus lalu diukur berapa besar penampang dan panjang benda uji setelah putus. d. Gaya atau beban yang maksimum ditandai dengan putusnya benda uji terdapat pada layar digital dan dicatat sebagai data.
87
Jurnal
e-Dinamis, Volume.10, No.2 September
2014
ISSN 2338-1035
e. Hasil diagram terdapat pada kertas milimeter block yang ada pada meja plotter. f. Hal terakhir yaitu menghitung kekuatan tarik, kekuatan luluh, perpanjangan, reduksi penampang dari data yang telah didapat dengan menggunakan persamaan yang ada. 3.6 Pengujian Metallography Setelah benda specimen dilakukan pembersihan maka strukturmikro dari material dapat terlihat dengan menggunakan mikroskop optik untuk di foto. Pengambilan foto strukturmikro pada penelitian kali ini menggunakan mikroskop optik yang dilengkapi dengan software Rax vision. Langkah-langkah pengujian struktur mikro : a. Spesimen yang akan dilakukan uji foto mikro harus rata terhadap bidang ukur, sehingga spesimen tersebut diampelas dengan menggunakan amplas halus, kemudian melakukan finishing dengan menggosok specimen menggunakan autosol b. Nyalakan mikroskop dengan menekan ON pada power switch c. Letakan spesimen pada stage d. Pilih cahaya yang sesuai dengan memutar light intensity control knop. e. Pilih perbesaran lensa objektif dengan memutar revolving nose piece f. Lihat gambar pada eye piece yaitu pada lensa okuler g. Fokuskan gambar. h. Pilih lokasi yang akan diinginkan dengan memutar stage drive control knop i. Pemotretan: Lihat hasil pemotertan pada layar komputer yang sudah di install dengan program Rax vision. 3.7 Diagram Alir Penelitian Adapun prosedur pelaksanaan penelitian ini dapat dilihat pada gambar 11.
Gambar 11. Diagram alir Penelitian
4. ANALISA DATA DANPEMBAHASAN Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian kekuatan tarik material aluminium – magnesium dan foto mikro dari material tersebut untuk mengetahui karakteristik material aluminium yang mengandung 2%,4%, dan 6% magnesium. 4.1 Perhitungan Kekuatan Tarik Aluminium – Magnesium Berdasarkan dari pengujian yang dilakukan maka dapat di hitung kekuatan tarik dari material yaitu sebagai berikut :
-
Beban maksimal
: 14200 N
-
Panjang Spesimen Uji
: 200 mm
-
Lebar
: 12.5 mm
-
Tebal
: 6 mm
88
Jurnal
e-Dinamis, Volume.10,, No.2 No. September Maka tegangan dihitung : =
tarik
σ = =
dapat
2014
ISSN 2338-1035 2338
Aluminium - Magnesium 4.4 Pengujian Metallografi ( Struktur Mikro ) HAZ
199 N / mm2 BASE METAL
Nilai regangan juga dapat dihitung : =
∆
WELD METAL
x 100 %
ε = Maka
hubungan
kedua
= 4.2 % persamaan
diatas adalah : E
=
E
=
E
=
σ ε
= 82.2 GPa
4.2.Grafik Hasil Perhitungan Kekuatan Tarik Aluminium – Magnesium
Gambar 13. Struktur mikro magnesium 6 % pada pembesaran 200x Dari gambar 4.5 diatas terlihat bentuk permukaan retakan dari hasil pengujian tarik. Pada hasil mikrostruktur mg 6 %, butiran berwarna hitam yang menunjukkan Magnesium dan warna putih keperakan merupakan Aluminium Aluminium. Struktur butiran yang terlihat disini masih halus sehingga tingkat porositas yang di hasilkan juga masih minim. im. Garis rambatan retak pada daerah HAZ juga terlihat masih sedikit sehingga dapat disimpulkan bahwa dari pengujian mekanik menunjukkan kekuatan tarik dari material ini mengalami peningkatan. Pada aluminium paduan yang mengandung magnesium sebesar 6% terlihat lihat bahwa distribusi fasa Al-Mg Al memiliki struktur butiran dengan ukuran lebih kecil memanjang dengan jarak antar butiran yangrapat. 5.KESIMPULAN
Gambar 12. regangan
Grafik
tegangan
vs
4.3. Hasil Uji Kekuatan Tarik Tabel 2. Hasil uji kekuatan tarik
Setelah dilakukan uji metalografi (foto mikro) dan pengujian tarik ( Tensile Test ), diperoleh beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Telah di lakukan proses peleburan Aluminium – Magnesium dan di dapatkan hasil yang cukup baik. 2. Proses pengelasan telah di lakukan dan pemilihan kawat las dan filler telah dilakukan sasuai dengan standar pengelasan, dimana spesimen uji secara fisik terlihat memenuhi persyaratan.
89
Jurnal
e-Dinamis, Volume.10, No.2 September
3. Analisa hasil foto mikro terlihat struktur mikro dari Aluminium, Magnesium. Pada aluminium paduan yang mengandung magnesium sebesar 6% terlihat bahwa distribusi fasa Al-Mg memiliki struktur butiran dengan ukuran lebih kecil memanjang dengan jarak antar butiran yang rapat, sehingga memiliki kekuatan tarik yang lebih besar dibandingkan dengan paduan aluminium yang memiliki kadar magnesium lebih kecil dari 6 %. 4. Hasil pengujian didapatkan bahwa kekuatan tarik rata-rata specimen Aluminum 98 % – Mg 2 % adalah 119.27 N/mm2, dan untuk kekuatan tarik (σ) rata-rata spesimen aluminum 96 % – mg 4 % adalah 166 N /mm2, sedangkan kekuatan tarik (σ) ratarata spesimen Aluminum 94 % – Mg 6 % adalah 199.33 N /mm2. Al murni (99,999% Al) memiliki kekuatan tarik 48 Mpa, Al murni komersial (99% Al) kekuatan tariknya sebesar 90 Mpa, dengan menambahkan magnesium sebagai unsur penambah yang membuat aluminium memiliki kekuatan tarik lebih besar. 5. Pengelasan aluminium dengan menggunakan argon sebagai pelindung untuk menyambung plat aluminium sangat baik untuk mempertahankan sifat mekanik dari material tersebut terutama untuk kekuatan tarik nya.
2014
ISSN 2338-1035
Purpose material, International, 1992.
ASM
DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3] [4] [5]
Tata S, Shinroku S, Pengetahuan Bahan Teknik, Pradnya paramita, Jakarta, 1999. Wiryosumarto, H dan Okumura, Thoshie, Teknologi Pengelasan Logam, Pradnya Paramita, Jakarta, 2000. Carry, Modern Welding Tecnology, prentice Hall, New Jersey, 1993. Callister, Materials Science and Engineering, John Wiley, 1985 ASM, ASM Handbook volume 2: Properties, and section; Non Ferrous Alloy and Special –
90
