STUDI PENGARUH BESARNYA ARUS LISTRIK TERHADAP DISTRIBUSI KEKERASAN, STRUKTUR MIKRO, DAN KEKUATAN IMPAK PADA BAJA KARBON RENDAH JENIS SB 46 Dedi Priadi1 dan Selvinus M2 ABSTRACT This paper presents a study of the effects of the strength of electrical current to the hardness, microstructure, and impact strengths of low-carbon steel. In this study a SB 46 carbon-low steel was used, which its level of carbon is 0,145%. The kind of welding that was used is that of Flux Core Arc Welding (FCAW), one of kinds of electrical arc welding that is used by many, because it can produce so high heating energy that a metal can be melted and join other metals. The strength of electric current that was applied is 125 A, 150 A and 170. The three of electrical- current strength taken were based on the range that can be used for the electrode type AWS E7016. The results show that there are effects of the different electrical-current strength to the hardness, microstructure, and impact strengths of the steel. Keywords: Flux Core Arc Welding, low carbon steel, hardness, impact strength.
ABSTRAK Makalah ini menyajikan studi tentang pengaruh besarnya arus listrik terhadap kekerasan, struktur mikro, kekuatan impak dari baja karbon rendah. Dalam studi ini digunakan baja karbon rendah jenis SB 46, yang kadar karbonnya 0,145%. Jenis pengelasan yang digunakan adalah jenis Flux Core Arc Welding (FCAW), salah satu jenis pengelasan busur listrik yang banyak digunakan karena ia dapat menghasilkan energi panas yang sangat tinggi, sehingga logam dapat dilebur dan menyambung logam lainnya.Besarnya arus listrik yang digunakan adalah 125 A, 150 A dan 170 A. Ketiga arus ini diambil didasarkan pada rentang arus listrik yang dapat dipakai untuk elektroda tipe AWS E7016. Hasil studi menunjukan bahwa ada pengaruh dari perbedaan arus listrik terhadap kekerasan, struktur mikro, kekuatan impak dari baja tersebut. Kata kunci : Fluks Core Arc Welding, baja karbon rendah, kekerasan, kekuatan impak.
1 2
Dosen Departemen Metallurgi dan Material FTUI Alumni Jurusan Teknik Mesin UKI Jakarta
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 3, Agustus 2007
203
1.
PENDAHULUAN
Pengelasan (welding) adalah suatu cara untuk menyambung benda padat dengan cara mencairkannya melalui pemanasan[1]. Pada waktu ini teknik pengelasan telah dipergunakan secara luas dalam penyambungan batangbatang baja dan konstruksi mesin. Luasnya penggunaan teknologi ini disebabkan karena bangunan dan mesin yang dibuat dengan menggunakan teknologi penyambungan ini menjadi ringan juga proses pembuatannya sederhana. Setelah energi listrik dapat dipergunakan dengan mudah, teknik pengelasan maju dengan pesat sehingga menjadi suatu teknik penyambungan yang mutakhir. Cara-cara dan teknik penyambungan dengan pengelasan yang banyak dipergunakan pada waktu ini seperti Fluks Core Arc Welding (FCAW) adalah salah satu jenis las busur listrik (electric arc welding) yang prinsip pengerjaannya adalah terjadinya loncatan busur listrik antara elektroda dengan logam yang dilas, terpisah satu sama lain dalam jarak yang dekat [2]. Busur listrik ini menghasilkan panas yang sangat tinggi sehingga memungkinkan terjadinya peleburan logam kemudian disertai penyambungan logam tersebut. FCAW digunakan secara luas baik secara semi otomatis maupun otomatis. Pemakaian teknik las ini dapat diterapkan mulai dari sambungan yang sederhana seperti sambungan pipa maupun kontruksi-kontruksi besar seperti sambungan kerangka alat berat, misalnya traktor ataupun konstruksi kapal laut. Penelitian yang dilakukan dapat menunjukan bahwa sifat-sifat bahan yang digunakan terutama kepekaan terhadap takik dan retak las memegang peranan utama dalam patah 204
getas. Sebagai akibat dari penelitianpenelitian ini maka ditentukanlah standar cara-cara pengujian seperti uji charpy dengan takik V. Dengan cara pengujian ini maka terbentuklah dasar-dasar pemilihan bahan yang sesuai untuk pengelasan. Elektroda yang dipakai berupa kawat yang terus menerus diumpankan ke daerah lasan sebagai logam pengisi. Agar terjadi penyambungan pada logam induk (base metal) maka elektroda harus dicairkan dengan panas dari busur yang terbentuk antar logam induk dan elektroda. Bentuk pemindahan logam dipengaruhi oleh besarnya arus las, jarak elektroda dengan logam induk dan jenis material. Adanya berbagai bentuk pemindahan logam tersebut memperlihatkan perbedaan stabilitas busur, percikan–percikan logam panas (spatter) dan jumlah gas yang terperangkap. Makin banyak jumlah spatter yang terjadi tentunya akan berdampak pada besarnya biaya yang harus dikeluarkan untuk membersihkan permukaan hasil las. Adapun material yang banyak dipakai dalam pengelasan FCAW adalah baja karbon rendah ( 0,25 % C maksimum). Baja jenis ini banyak digunakan pada clude tanks, struktur assemblies vassels, machine bases eart moving dan peralatan agricultural. Baja karbon rendah lebih ulet dan mudah dilas daripada baja karbon tinggi dan juga banyak digunakan untuk aplikasi yang memerlukan cold forming, seperti stamping, rolled, atau famed shape. Baja SB 46 merupakan baja karbon rendah yang memiliki mampu las yang baik, aplikasi dari baja ini berbentuk pelat, strip, shape dan pelat bar, yang tidak lebih dari 150 mm [3,4].
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.3, Agustus 2007
Jenis material ini banyak digunakan untuk bangunan, jembatan, kapal rolling stocks, petrolium storage tanks, dan konstruksi lainnya. Untuk ketebalan dibawah 50 mm biasanya kadar karbon 0.2 % maks, sedangkan untuk ketebalan antara 50-150 mm mengandung 0.25 % maks. Komposisi keseluruhan baja SB 46 adalah 0.145 % C, 0.053 % Si, 0.69 % Mn, 0.008 % P, dan 0.004 % S. Sehubungan dengan majunya teknologi pengelasan tidak terlepas dari masalah-masalah yang timbul akibat pengelasan maupun dari material yang disambung itu masih terdapat kesalahankesalahan maupun masalah-masalah teknik seperti terjadinya patah getas pada beberapa jembatan dan kapal yang dilas pada sekitar tahun 1940-an, walaupun secara statistik kecelakaan yang ditimbulkan oleh patah getas ini hanya kecil saja, tetapi hal ini memberikan masalah teknik besar yang perlu diatasi. Sehingga pada proses pengelasan prosedural pengelasan lebih dipertimbangkan agar persiapan pengelasan lebih menghasilkan hasil lasan yang baik. 2.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan bahan plat baja karbon rendah SB 46 dengan ketebalan 12 mm. Proses pengelasan yang digunakan adalah proses las FCAW (Flux Core Arc Welding). Pada proses pengelasan ini dipakai sebagai variabel adalah besar arus las yang akan menentukan besarnya masukan panas. Adanya perbedaan masukan panas akan memberikan perbedaan kecepatan pendinginan yang akan mempengaruhi struktur logam serta sifat mekanis (kekerasan dan ketangguhan ).
Kuat arus listrik yang dipakai pada pengelasan ini adalah 125 A, 150 A, dan 170 A. Ketiga arus ini diambil berdasarkan rentang arus listrik yang dapat dipakai untuk elektroda tipe AWS E7016 dan jenis sambungan las yang dipakai adalah bentuk V tunggal dengan menggunakan lasan penetrasi penuh tanpa pelat panahan dan posisi pengelasan yang digunakan adalah posisi flat ( datar ). Setelah rangkaian diagram alir penelitian dilaksanakan selanjutnya dilakukan pengujian dan pengamatan terhadap komposisi kimia, kekerasan Brinnel, ketangguhan dan struktur mikro. 3. 3.1
HASIL DAN PEMBAHASAN Komposisi Kimia
Hasil penelitian berkenaan dengan komposisi kimia dapat dilihat pada gambar 1. Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa perbedaan antara komposisi kimia yang terdapat pada daerah base metal dan deposit las dapat terlihat dengan sangat jelas yakni kadar karbon (C) pada deposit las mengalami penurunan sedangkan Silikon (Si), Mangan (Mn), Posfor (P) dan Sulfur (S) mengalami kenaikan presentase kadar komposisinya, Hal ini dapat disebabkan karena pemanasan yang sangat tinggi pada proses pengelasan yang dilakukan, sehingga unsur-unsur yang terdapat pada daerah deposit las bertransformasi dan dapat merubah kadar unsur-unsur tersebut didalamnya selain itu juga dipengaruhi oleh komposisi elektroda yang sangat tinggi sehingga membuat perbedaan yang sangat jauh antara base metal dan deposit las, seperti terlihat pada Gambar 3.1 diatas. Naiknya kadar karbon ( C ) pada deposit las kandungan Mangan ( Mn ) dan turunnya kadar
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 3, Agustus 2007
205
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
C
Si
Mn
P
S
Kadar Base Metal (%)
0.145
0.053
0.69
0.008
0.005
Kadar Elektroda (%)
0.12
0.6
0.9
0.03
0.04
Kadar Deposit Las (%)
0.124
0.53
0.82
0.017
0.005
Gambar 1. Grafik Data Komposisi Kimia antara Base Metal, Elektroda dan Deposit Las.
karbon ( C ) pada deposit las dapat menaikan ketangguhan pada logam lasan tersebut.
perubahan struktur. Pada daerah Head affected Zone atau daerah terpengaruh panas adalah bagian logam induk yang berdekatan dengan batas las dan mengalami siklus termal. Bagian yang paling dekat dengan batas las mengalami pemanasan tinggi sehingga memungkinkan terjadinya pertumbuhan dan pengkasaran butir. Pada daerah ini kekerasan terendah terdapat pada arus 150 A sedangkan kekerasan tertinggi terjadi pada arus 125 A ini
3.2. Kekerasan Brinnel Gambar 2 dan gambar 3 adalah grafik hasil pengujian kekerasan. Dari Gambar Grafik 2 diatas dapat dilihat bahwa pada daerah base metal kekerasan terendah pada arus 125 A, Sedangkan kekerasan tertinggi pada arus 170 A dan pada daerah ini tidak mengalami
Kekerasan Vs Arus
Kekerasan (HB)
160 155 150 145 140 135 100
125
150 Arus
175
Base Metal HAZ Deposit Las
Gambar 2. Grafik Pengujian Kekerasan pada line 1 206
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.3, Agustus 2007
Kekerasan Vs Arus 160
Kekerasan (HB)
155
150
Base Metal HAZ Deposit Las
145
140
135 100
125
150
175
Arus
Gambar 3. Grafik Pengujian Kekerasan pada line 2
memperlihatkan bahwa terjadinya pengaruh masukan panas yang sangat berbeda sehingga memperlihatkan kekerasan yang berbeda pula. Sedangkan pada daerah deposit las terjadi kenaikan kekerasan yang disebabkan juga oleh pengaruh masukan panas yang berbeda, selain itu dapat terjadi karena pemberian masukan panas yang sangat tinggi sehingga merubah komposisi atau unsurunsur paduan yang bersifat memberikan kekerasan yang berlebih pada material tersebut, dan bila dibandingkan dengan daerah terpengaruh panas atau HAZ ini memperlihatkan suatu perubahan yang sangat besar terjadi pada logam tersebut karena disebabkan oleh masukan panas yang sangat tinggi yang terdapat pada daerah deposit las. Pada gambar 3 daerah pengujian pada line 2 perubahannya sama dengan pada line 1 yakni terjadi kenaikan kekerasan dari arus 125 A sampai dengan arus 170 A pada daerah deposit las ini membuktikan bahwa semakin tinggi arus atau masukan panas yang diberikan sehingga bahan atau logam tersebut semakin keras, hal ini disebabkan karena terbentuknya mangan
karbida (MnC) yang sifatnya memberikan kekerasan pada logam tersebut dan juga dengan terbentuknya butir yang besar atau kasar sehingga dapat memberikan kekerasan yang sangat tinggi, dapat dilihat pada foto struktur mikro. 3.3 Kekuatan Impak Grafik Pengujian Impak Skala Max 300 joule Non Temper Gambar 4, 5, 6 dan 7 adalah grafik hasil pengujian untuk kekuatan impak. Dari grafik hasil pengujian diatas dapat dilihat bahwa arus pengelasan sangat mempengaruhi Kekuatan Impak logam lasan, semakin tinggi arus pengelasan atau masukan panas yang diberikan pada logam lasan maka semakin rendah kekuatan impak yang diperoleh, sedangkan energi yang diperlukan sangat kecil dalam mekanisme perpatahan pada logam lasan. Ini disebabkan meningkatnya masukan panas yang mengakibatkan selang pemanasan lebur meningkat sehingga memungkinkan terjadinya pertumbuhan butir. Arus Pengelasan yang meningkat cenderung akan meningkatkan ukuran butir yang
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 3, Agustus 2007
207
0,315
HI ( joule/mm² )
0,31 0,305 0,3 0,295 0,29 0,285 0,28 0,275 100
120
140
160
180
200
Arus ( Am pe re )
Gambar 4. Grafik Pengujian Impak No. 1
0,304 0,302
HI ( joule/mm² )
0,3 0,298 0,296 0,294 0,292 0,29 0,288 0,286 0,284 100
120
140
160
180
200
Arus ( Ampere )
Gambar 5. Grafik Pengujian Impak No. 2
dapat menurunkan ketangguhan logam terhadap perpatahan, semakin halus butir yang terbentuk semakin ulet logam lasan atau sebaliknya semakin kasar butir yang terbentuk maka semakin getas logam lasan. Mekanisme perpatahan lebih mudah terjadi pada arus pengelasan yang tinggi. Pengujian Impak Skala Max 300 joule Non Temper, bahwa Arus yang 208
diberikan pada logam lasan 125, 150 dan Arus 170 ampere. Harga Impaknya berbeda ini dikarenakan energi yang diperlukan juga berbeda, semakin tinggi arus semakin kecil energi yang diperlukan. Ini membuktikan bahwa harga impak dipengaruhi oleh banyaknya masukan panas yang diberikan pada logam lasan.
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.3, Agustus 2007
0,31
HI ( Joule/mm² )
0,305 0,3 0,295 0,29 0,285 0,28 100
120
140
160
180
200
Arus ( Ampere )
Gambar 6. Grafik Pengujian Impak No. 3 0,31
HI Rata-rata ( joule/mm² )
0,305
0,3
0,295
0,29
0,285
0,28 100
120
140
160
180
200
Arus ( Am pere )
Gambar 7. Grafik Pengujian Impak rata-rata
Pada gambar 4 dan gambar 5 dengan arus 150 ampere kenaikan harga impaknya berbeda ini dapat disebabkan karena kecepatan pengelasan yang menyebabkan terperangkapnya oksigen karena pada waktu logam masih mencair, oksidasi dihalangi oleh terak
dan gas pelindung yang terbentuk dari bahan pembungkus elektroda. Tetapi walaupun demikian penyerapan gas oksigen tidak dapat dihalangi sepenuhnya, sehingga logam lasan tetap mengandung oksigen yang menyebabkan terjadinya perbedaan keuletan. Pengujian
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 3, Agustus 2007
209
Impak ini dilakukan untuk melihat ketangguhan sambungan las dengan mengetahui banyaknya energi yang diserap sehingga terjadi perpatahan, dan dapat dilihat pada rumus sebagai berikut: HI =
temperatur 727ºC dan pada gambar yang berwarna hitam adalah struktur perlit. Ferrit dan perlit
W A
dimana : HI = Harga Impak ( joule / mm2 ) W = Energi yang diperlukan ( joule ) A = Luas Penampang ( mm2 ) Harga Impak sangat dipengaruhi oleh energi semakin besar energi semakin besar juga harga impak yang dihasilkan ini juga berhubungan dengan jumlah masukan panas yang diberikan, semakin besar jumlah masukan panas maka semakin kecil energi yang dibutuhkan sehingga harga impakpun semakin kecil maka dapat disimpulkan bahwa harga impak berbanding lurus dengan energi sedangkan berbanding terbalik dengan jumlah masukan panas yang diberikan. 3.4. Struktur Mikro 3.4.1. Logam Induk ( base metal ) Pada logam induk atau base metal memperlihatkan hasil etsa yang lebih terang terdapat pada arus 170 A, dapat dilihat perbedaannya pada gambar 8, 9 dan 10 foto mikro base metal 125 A, 150 A dan 170 A, hal ini dikarenakan tidak mengalami perubahan unsur-unsur pada logam tersebut dan strukturnya ferrit – perlit. Ferrit merupakan struktur yang paling lunak dimana kekuatan tariknya adalah 40.000 psi dan pada gambar terlihat yang berwarna putih sedangkan perlit adalah mixture eutektoid mengandung 0,8% C, dibentuk pada pendinginan yang sangat lambat pada 210
100 x
500 x
Gambar 8. Foto Struktur Mikro Daerah Base Metal Arus 125 A
3.4.2. Daerah Terpengaruh Panas (HAZ ) Daerah Terpengaruh Panas adalah bagian dari logam induk yang berdekatan dengan batas las atau daerah deposit las yang mengalami siklus termal. Bagian yang paling dekat dengan batas las mengalami pemanasan tinggi sehingga memungkinkan terjadinya pertumbuhan dan pengkasaran butir, seperti yang terlihat pada gambar 3.9, Foto Mikro Daerah HAZ dengan pembesaran 500 X pada arus 125 A. Pada Arus 150 A dan 170 A terjadi pengkasaran butir atau terbentuk butir yang lebih besar bila dibandingkan dengan daerah base metal yang memiliki butir yang lebih kecil atau halus, pada daerah ini temperatur puncak kira-kira 1000 °C dan terjadi transformasi struktur ferrit dan perlit menjadi austenit awal. Perbedaan antara ketiga arus ini terlihat sangat jelas pada arus 125 A yang bila dibandingkan dengan arus 170 A, pada arus 170 A terlihat sangat gelap
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.3, Agustus 2007
Austenit awal (γ)
Mangan Karbida 500 x Gambar 9. Foto Struktur mikro daerah HAZ Arus 125 A
karena disini terbentuk struktur Austenit awal yang berwarna hitam gelap dan juga terlihat butir lebih besar bila dibandingkan dengan arus 125 A, Pada arus 125 A ikatan butirnya masih terlihat sangat rapat dan berwarna lebih terang perbedaan ini juga dapat disebabkan karena pemanasan atau masukan panas yang diberikan berbeda pada kedua material tersebut sehinga terjadi transformasi atau perpindahan logam yang mempengaruhi besarnya batas butir dan komposisi yang terbentuk pada daerah tersebut.
sangat dominan memberikan kekuatan ketangguhan dalam penjalaran retak akibat pembebanan kejut atau impak. Pada kenaikan arus dari 125 A sampai 150 A belum menunjukan perubahan yang berarti secara visual terhadap struktur ferrit batas butir dan baru terlihat perubahan pada arus 170 yang cukup berarti yakni pada arus 170 A terdapat lapisan yang menyilang ini juga dipengaruhi oleh masukan panas yang berbeda sedangkan pada arus 125 A tidak terlihat adanya penyilangan, namun pada daerah ini terlihat juga perubahan struktur ferrit yang mempunyai ukuran butir yang lebih besar.
Austenit (γ)
Ferrit Asikular
500 x Gambar 10. Foto Struktur Mikro Daerah Deposit Las Arus 125 A
3.4.3. Daerah Deposit Las Daerah Deposit Las adalah daerah pengelasan yang mengalami pemasukan panas yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan daerah HAZ dan pada daerah ini terbentuk struktur mikro yaitu ferrit batas butir yang kasar dan lebar, dimana struktur ini terbentuk berkaitan dengan struktur austenit. Pada daerah deposit las ini dapat dilihat adanya lapisan-lapisan yang saling menyilang dimana struktur ini dinamakan ferrit asikular dan struktur ini
4.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dan pembahasan yang telah dikemukakan maka dapat diambil beberapa kesimpulan : 1.
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No. 3, Agustus 2007
Pada pengelasan FCAW ( Flux Core Arc Welding ) terjadi peningkatan kekerasan pada daerah deposit las akibat meningkatnya arus pengelasan yang menyebabkan terjadinya perbedaan kekerasan, dan 211
2.
3.
4.
212
nilai kekerasan tertinggi adalah 158.54 kg/mm2 pada arus 170 A, sedangkan nilai kekerasan terendah adalah 154.247 kg/mm2 pada arus 125 A. Pada daerah Deposit Las dan daerah HAZ ( Head affected Zone ) adalah bagian logam induk yang berdekatan dengan batas las juga mengalami peningkatan kekerasan yang berbeda ini dapat terjadi karena pemberian masukan panas yang sangat tinggi sehingga merubah komposisi atau unsurunsur pembentuk karbida yang bersifat memberikan kekerasan yang berlebih pada material. Arus pengelasan yang meningkat akan meningkatkan ukuran butir sehingga menurunkan ketangguhan logam terhadap perpatahan, semakin halus butir yang terbentuk semakin ulet logam lasan atau sebaliknya semakin kasar butir yang terbentuk maka semakin getas logam lasan. Harga impak berhubungan dengan jumlah masukan panas yang diberikan, semakin besar jumlah masukan panas maka semakin kecil energi yang dibutuhkan sehingga harga impakpun semakin kecil. Mekanisme perpatahan lebih mudah terjadi pada arus atau masukan panas yang lebih tinggi, karena semakin tinggi arus maka energi yang diperlukan semakin kecil, Harga Impak tertinggi adalah 0.306 joule/mm2 pada arus 125 A dan Harga Impak terendah adalah 0.283 joule/mm2 pada arus 170 A.
5.
6.
Pada logam induk atau base metal terlihat hasil etsa yang terang pada arus 170 A dan tidak mengalami perubahan struktur karena daerah ini jauh dengan daerah deposit las dan yang mempunyai struktur ferrit dan perlit. Dengan meningkatnya arus pengelasan akan memperbesar pertumbuhan butir ferit-perlit dari baja karbon rendah. Pada daerah deposit las ini dapat dilihat adanya lapisan-lapisan yang saling menyilang dimana struktur ini dinamakan ferrit asikular dan struktur ini sangat dominan memberikan kekuatan dan ketangguhan dalam penjalaran retak akibat pembebanan kejut atau impak.
DAFTAR PUSTAKA Wiryusumarto, H. dan Toshie Okumura (2000), Teknologi Pengelasan Logam, cetakan kedelapan, Pradnya Paramita, Jakarta. The Lincoln Electric Company Cleveland (---) The Producedure Hand Book of Arc Welding, edisi II, OHIO The Materials Information Society (1996), Materials Characterization, ASM Hand Book Volume X Eugene, A., Avallone, and Baumeister, Theodore (1916), Standard Handbook for Mechanical Engineers, Tenth Edition, 1916, McGraw Hill, New York.
Jurnal Sains dan Teknologi EMAS, Vol. 17, No.3, Agustus 2007
