DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA PENGELASAN GESEK CONTINUOUS DRIVE FRICTION WELDING BAHAN SILINDER PEJAL LOGAM BEDA JENIS
(ALUMUNIUM 2024 T4 - STAINLESS STEEL AISI 420). TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Untuk Mencapai Derajat Strata-1 Pada Prodi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh: EGIN SUBARKAH
20110130125
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
YOGYAKARTA 2017
DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA PENGELASAN GESEK CONTINUOUS DRIVE FRICTION WELDING BAHAN SILINDER PEJAL LOGAM BEDA JENIS (ALUMUNIUM 2024 T4 - STAINLESS STEEL AISI
420).
Telah Dipertahankan Di Depan Tim Penguji Pada Tanggal 14 Maret 2017
Susunan Tim Penguji:
Tugas akhir ini telah dinyatakan sah sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Tanggal: ... Dosen Pembimbing I
Totok Suwanda, S.T., M.T. NIK. 19690304199603 123
Dosen Pembimbing II
Ir. Aris Widyo Nugroho M.T., PhD. NIK. 19700301199509 123 022 Penguji,
Cahyo Budiyantoro, ST.,M.Sc. NIK. 19711023 201507 123083
Disusun Oleh:
EGIN SUBARKAH 20110130125
Mengesahkan
Ketua Program Studi Teknik Mesin
ii
PERNYATAAN Saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : EGIN SUBARKAH
NIM : 20110130125
Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir yang berjudul:
adalah benar-benar hasil karya sendiri bagian dari disertasi Totok Suwanda, S.T.,
M.T., DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA PENGELASAN GESEK CONTINUOUS DRIVE FRICTION WELDING BAHAN SILINDER PEJAL LOGAM BEDA JENIS (ALUMUNIUM 2024 T4 - STAINLESS STEEL AISI 420) kecuali jika disebutkan sumbernya dan belum pernah diajukan pada instansi manapun, serta bukan karya jiplakan. Saya bertanggung jawab atas
keabsahan dan kebenaran isinya sesuai dengan sikap ilmiah yang harus
dijunjung tinggi.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya, tanpa adanya
tekanan dan paksaan dari pihak manapun serta bersedia mendapat sanksi
akademik bila ternyata di kemudian hari pernyataan ini tidak benar.
Yogyakarta, 14Maret 2017
Yang menyatakan,
iv MOTTO
Bismillahirrahmanirrahim
“Salah jurusan bukan berarti salah masa depan”
“Lulus terakhir bukan berarti dapat rizki yang terakhir” (Egin Subarkah)
“MAN JADDA WAJADA”
Barang siapa bersungguh-sungguh pasti akan mendapatkan hasil
(Q.S Ar-Ra’d 11)
“Maka nikmat Tuhanmu yang manakah yang kamu dustakan” (Q.SAl-Rahman 13)
“Niscaya Allah akan mengangkat derajat orang-orang yang beriman di antaramu dan orang-orang yang diberi ilmu beberapa derajat”
(Terjemahan Q.S. Al-Mujadalah : 11)
“Kami tidak bisa mewariskan harta benda kepadamu, tetapi kami hanya bisa
mewariskan ilmu karena senantiasa ilmu yang kau miliki bisa mengantarmu
menuju sukses”
(Ayahanda & Ibunda)
v
PERSEMBAHAN
“Barangsiapa bertakwa pada Allah, maka Allah memberikan jalan keluar kepadanya dan memberi rezeki dari arah yang tidak disangka-sangka. Barangsiapa
yang bertaqwa pada Allah, maka Allah jadikan urusannya menjadi mudah.
Barangsiapa yang bertaqwa pada Allah akan dihapuskan dosa-dosanya dan
mendapatkan pahala yang agung”. (QS. Ath-Thalaq: 2, 3, 4)
Dan sesungguhnya telah Kami berikan hikmah kepada Lukman, yaitu:
"Bersyukurlah kepada Allah. Dan barang siapa yang bersyukur (kepada Allah),
maka sesungguhnya ia bersyukur untuk dirinya sendiri; dan barang siapa yang
tidak bersyukur, maka sesungguhnya Allah Maha Kaya lagi Maha Terpuji”. (QS. Luqman: 12)
Skripsi ini saya persembahkan kepada:
Allah SWT yang telah memberikan keberkahan, ketenangan dan kesehatan
dalam mengerjakan skripsi ini.
Bapak dan Ibu tercinta, Bapak Wasimin dan Ibu Diwen terimakasih atas kasih
saying dan dukungan yang kalian berikan.
Istri dan anak saya tercinta, Nur khasanah dan Luigi Annafii Subarkah
terimakasih atas kasih saying dan penyemangat yang kalian berikan
Kaka dan Keponakan tersayang, Yayun Sri Wardani, dan Karl Kafi
Kasnarasreta, Kian Kafa Kasnakasaki, telah memberikan motivasi, canda tawa,
serta dukungan.
Teman-teman kontrakan, Bagus Farkhan Almadani, Galang Ayusi putra,
Tintus Dwi Cahyo, Immawan Insani, Tofik Haryanto, Bagja Restu
Muhammad, Luhur Yudis Pratama, Akbar Maulana, dan Avian Jevri Malindo,
vi INTISARI
Pengelasan logam beda jenisdan silinder pejal diameter besar dengan teknik pengelasan fusi sulit dilakukan. Dalam beberapa tahun terakhir berkembang proses pengelasan solid state welding. Penyambungan logam silinder pejal yang dilakukan seperti penyambungan as roda pada mobil mengalami kendalan tidak tersambung pada bagian tengah. Untuk mengatasi hal tersebut, pengelasan gesek lebih efektif dilakukan untuk menggabungkan silinder pejal diameter besar. Logam beda jenis yang memiliki sifat mekanik dan termal yang berbeda dapat disambungdenganmetode pengelasan gesek
Pengelasan gesek merupakan metode penyambungan material yang memanfatkan panas yang ditimbulkan antara gesekan kedua material yang sama maupun berbeda. Keistimewaan pengelasan gesek dapat menyambung material yang berbeda yang dilihat, distribusi temperatur, dan kandungan yang terdapat didalamnya. Pada penelitian ini dilakukan Countinous Drive Friction Welding (CDFW) terhadap material logam beda jenis antara Aluminium 2024 T4 dengan Stainless Steel AISI 420. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan parameter. Putaran yang digunakan untuk pengelasan gesek 1000 rpm. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian pengujian tarik dengan standard JIS Z 2201.
Pada setiap parameter terlihat distribusi temperatur berangsur- angsur turun sesuai inter face logam yang bergesekan. Dapat dilihat pada parameter 60-7.5-85-60 adalah parameter terbaik untuk mencapai temperatur maksimal 304.0882°C karena distribusi temperaturnya meningkat dibandingkan dengan parameter 60-5-60-60 dan 40-5-60-5-60-60. Semakin jauh sensor panas dengan bidang gesek, maka semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur maksimal. Dari hasil pengujian tarik terlihat pada hasil tegangan tarik dan tegangan luluh menghasilkan nilai yang temperatif.
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulilaahirabbilalamin, puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah
memberikan karunia dan petunjuk-Nya sehingga penyusunan LaporanTugas
Akhir dapat terselesaikan. Laporan ini dibuat sebagai tindak lanjut dan
pertanggungjawaban dari hasil Penelitian di Universitas Muhammadiyah
Yogyakarta.
Banyak pihak yang telah membantu sampai selesainya Tugas Akhir ini,
oleh karena itu pada kesempatan ini kami sampaikan tarima kasih kepada :
1. Bapak Novi Caroko, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, yang telah memberikan
bimbingan.
2. Bapak Totok Suwanda, S.T., M.T. selaku Dosen Pembimbing I Tugas
Akhir, yang telah banyak memberikan bimbingan dan nasehat kepada
penulis.
3. Bapak Aris Widiya Nugraha, S.T., M.Eng., Ph.D. selaku Dosen
Pembimbing II Tugas Akhir, yang telah banyak memberikan bimbingan
dan nasehat kepada penulis.
4. Bapak Cahyo Budiyantoro, S.T., M.Sc. selaku Dosen penguji yang telah
memberikan saran dan masukan guna menyempurnakan Tugas Akhir ini.
5. Bapak dan Ibu tercinta beserta kaka, istri dan anak tercinta, dan orang -
orang yang kami cintai atas doa dan dukungannya.
6. Teman-teman Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
viii
Serta semua pihak yang telah membantu terselesaikannya laporan Tugas
Akhir ini, kami mengucapkan banyak terima kasih. Penyusun mengharapkan
masukan, kritik, serta saran selama penyusunan berlangsung. Selanjutnya,
penyusun berharap semoga Laporan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat dalam
memahami teori maupun prakteknya.
Yogyakarta,14 Maret 2017
Penyusun
ix 1.1. Latar Belakang Masalah ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 3
1.3. Batasan Masalah ... 3
1.4. Tujuan Penelitian ... 3
1.5. Manfaat Penelitian ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kajian Pustaka ... 4
2.2. Dasar Teori... 6
2.3. Daerah Lasan a. Las Fusi ... 7
b. Las Gesek ... 8
2.4. Pengelasan Gesek (Friction Welding) ... 9
2.4.1. Keuntungan Pengelasan Gesek ... 10
2.4.2 Aplikasi Pengelasan Gesek ... 11
x
2.5.1 Klasifikasi Logam Aluminium Alloy 2024-T4 ... 11
2.6 Stainless Steel AISI 420... 12
2.6.1 Klasifikasi Logam Stainless Steel AISI 420 ... 12
2.7 Distribusi Temperatur Selama Pengelasan Gesek ... 14
2.7.1 Metode Pengukuran Temperatur ... 15
2.7.2 Jenis-jenis Alat ukur Temperatur ... 15
2.7.3 Prinsip Kerja Termokopel ... 15
2.7.4 Fungsi Termokopel ... 16
2.7.5 Termokopel Sebagai Sensor panas ... 17
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian ... 18
3.2. Identifikasi Masalah ... 19
3.3. Perencanaan Penelitian ... 19
3.3.1.Waktu dan Tempat Penelitian... 19
3.3.2.Pengadaan Bahan dan Alat ... 21
A.Alat Utama 1. Alat Penelitian ... 21
2. Mesin Bubut ... 22
3. Alat Uji Tarik ... 23
4. Load Cell ... 23
5. Thermocouple Welder ... 24
6. Data Loger ... 24
7. Power Supply ... 25
B.Bahan Penelitian a. Aluminium Alloy 2424-T4 Silinder Pejal ... 25
b. Stainless Steel AISI 420 Silinder Pejal ... 25
3.4. Persiapan Penelitian ... 25
xi
3.4.2.Kalibrasi Mesin Friction Welding ... 26
3.5. Pelaksanaan Penelitian ... 26
3.5.1 Parameter Yang Digunakan Dalam Perhitungan ... 26
3.5.2 Mesin Friction welding ... 27
3.5.3 Pembuatan Bentuk Spesimen ... 27
3.5.4 Proses Pengelasan ... 28
3.6. Proses Pengujian ... 29
PengujianTarik ... 29
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Proses Pengambilan Data ... 33
4.2. Hasil Pengelasan Gesek ... 34
4.3. Hasil Profil Distribusi Temperatur... 35
4.4. Hasil Pengukuran Distribusi Temperatur... 38
4.5. Hasil dan Analisis Pengujian Tarik... 43
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1.Kesimpulan ... 44
5.2.Saran ... 45
DAFTAR PUSTAKA ... 46
xv DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Daerah las fusi
Gambar 2.2. Daerah las gesek
Gambar 2.3. Contoh aplikasi pengelasan metode rotary. (a) Bentuk baut klem, (b)
Hydraulic Cylinder, (c) Peralih penghubung pada reactor nuklir (Al
Alloy-Steel)
Gambar 2.4. Rangkaian dasar termokopel
Gambar 2.5. Bentuk fisik termokopel
Gambar 2.6. Termokopel
Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian
Gambar 3.2. Spesimen Uji Tarik Standar JIS Z 2201
Gambar 3.3. Mesin las gesek yang digunakan sebagai las gesek Alumunium Alloy
2024-T4 dan Stainless Steel AISI 420
Gambar 3.4. Mesin Bubut
Gambar 3.5. Alat Uji Tarik
Gambar 3.6. Load Cell
Gambar 3.7. Thermokopel Welder
Gambar 3.8. Data Loger
Gambar 3.9. Power Suplay
Gambar 3.10. Skema Mesin Friction Welding
Gambar 3.11. Hasil pemotongan kemudian pembentukan bahan (a) Stainless Steel
AISI 420 dan(b) Aluminium Alloy 2024-T4
Gambar 3.12. Meratakan Ujung Bahan(a) Stainless Steel AISI 420 dan (b)
Aluminium Alloy 2024-T4
Gambar 3.13. Pemasangan bahan diposisikan center
Gambar 3.14. Kurva Tegangan -Regangan
Gambar4.1.Pemasangan Termokopel Pada Benda Kerja Yang Diam Yaitu
Aluminium Alloy 2024-T4
Gambar 4.2. Hasil Pengelasan Gesek Stainless Steel AISI 420 dan Aluminium
xvi
Gambar 4.3. Grafik Profil Distribusi Temperatur Pada Logam Aluminium Alloy
2024-T4 Dengan Variasi (Pf 60 – Tf 7.5 – Pu 85 – Tu 60)
Gambar 4.4. Grafik Profil Distribusi Temperatur Pada Logam Aluminium Alloy
2024-T4 Dengan Variasi (Pf 40 – Tf 5 – Pu 60 – Tu 55)
Gambar 4.5. Grafik Profil Distribusi Temperatur Pada Logam Aluminium Alloy
2024-T4 Dengan Variasi (Pf 60 – Tf 5 – Pu 60 – Tu 60)
Gambar 4.6. Grafik Distribusi Temperatur Maksimal Pada Logam Aluminium
Alloy 2024-T4 Berbagai Variasi Gaya Tekan
Gambar 4.7. Grafik Kecepatan Pemanasan Terhadap Posisi
Gambar 4.8. Grafik Gabungan beban Perpanjangan (1) UTS 20.52 MPa, (2) UTS
23.07 MPa, (3) UTS 16.20 MPa
Gambar 4.9. Grafik Hasil Tegangan Tarik
Gambar 4.10. Penampang Patahan Aluminium Alloy 2024-T4 dan Stainless Steel
AISI 420 Waktu Tempa 60 detik, Variasi Tekanan Tempa 60MPa
Gambar 4.11. Penampang Patahan Aluminium Alloy 2024-T4 dan Stainless Steel
AISI 420 Waktu Tempa 55 detik, Variasi Tekanan Tempa 60 MPa
Gambar 4.12. Penampang Patahan Aluminium Alloy 2024-T4 dan Stainless Steel
xvii DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Tabel rancangan penelitian awal pada bahan alumunium 2024 T4 dan
stainless steel 420
Tabel 3.2. Paduan Aluminium Alloy 2024-T4
Tabel 3.3. Paduan Aluminium Alloy 2024-T4
Tabel 4.1. Data hasil pengujian tarik pada sambungan bahan Aluminium Alloy
2024-T4 dengan Stainless Steel AISI 420. Luas penampang Spesimen
xvi DAFTAR NOTASI
K = konstanta pegas
F = gaya
Δx = perbedaan panjang P = tekanan
A = luas penampang
σu = tegangan tarik maksimal
Ao = luas penampang sebelum dibebani
ΔL = pertambahan panjang L = panjang awal
E = gradien kurva
σ = tegangan
ε = regangan
P = beban yang digunakan
d = panjang diagonal rata-rata
xvii DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Uji Tarik Tekanan Gesek 40 MPa, Waktu Gesek 5 Detik, Tekanan Tempa 60
MPa, Waktu Tempa 55 Detik
Lampiran 2. Uji Tarik Tekanan Gesek 60 MPa, Waktu Gesek 5 Detik, Tekanan Tempa 60
MPa, Waktu Tempa 60 Detik
Lampiran 3. Uji Tarik Tekanan Gesek 60 MPa, Waktu Gesek 7,5 Detik, Tekanan Tempa 85
INTISARI
Pengelasan logam beda jenisdan silinder pejal diameter besar dengan teknik pengelasan fusi sulit dilakukan. Dalam beberapa tahun terakhir berkembang proses pengelasan solid state welding. Penyambungan logam silinder pejal yang dilakukan seperti penyambungan as roda pada mobil mengalami kendalan tidak tersambung pada bagian tengah. Untuk mengatasi hal tersebut, pengelasan gesek lebih efektif dilakukan untuk menggabungkan silinder pejal diameter besar. Logam beda jenis yang memiliki sifat mekanik dan termal yang berbeda dapat disambungdenganmetode pengelasan gesek
Pengelasan gesek merupakan metode penyambungan material yang memanfatkan panas yang ditimbulkan antara gesekan kedua material yang sama maupun berbeda. Keistimewaan pengelasan gesek dapat menyambung material yang berbeda yang dilihat, distribusi temperatur, dan kandungan yang terdapat didalamnya. Pada penelitian ini dilakukan Countinous Drive Friction Welding (CDFW) terhadap material logam beda jenis antara Aluminium 2024 T4 dengan Stainless Steel AISI 420. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan parameter. Putaran yang digunakan untuk pengelasan gesek 1000 rpm. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian pengujian tarik dengan standard JIS Z 2201.
Pada setiap parameter terlihat distribusi temperatur berangsur- angsur turun sesuai inter face logam yang bergesekan. Dapat dilihat pada parameter 60-7.5-85-60 adalah parameter terbaik untuk mencapai temperatur maksimal 304.0882°C karena distribusi temperaturnya meningkat dibandingkan dengan parameter 60-5-60-60 dan 40-5-60-5-60-60. Semakin jauh sensor panas dengan bidang gesek, maka semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur maksimal. Dari hasil pengujian tarik terlihat pada hasil tegangan tarik dan tegangan luluh menghasilkan nilai yang temperatif.
1 BAB I PENDAHULUAN 1.1LatarBelakang.
Pengelasan merupakan metode penyambungan logam yang memanfaatkan
panas yang dihasilkan dari nyala acytlena, gesekan, dan busur listrik. Metode penyambungan tersebut banyak digunakan pada bidang otomotif, kontruksi,
perkapalan, dan lain sebagainya. Metode pengelasan yang biasa digunakan dalam
bidang manufaktur dibagi menjadi dua yaitu lasfusi (fusion welding) danlas padat (solid state welding). Las fusi tersebut merupakan proses pengelasan dengan
mencairkan sebagian logam induk. Teknik pengelasan fusi sering digunakan
untuk pengelasan pipa, pelatsiku, dan pelat datar. Namun dari metode tersebut
masih memiliki kekurangan yaitu apabila benda berbentuk silinder pejal,
pengelasan hanya dapat dilakukan pada bagian sisiluar, sedangkan pada sisi
dalamnya sulit untuk dilakukan. Untuk dapat mengatasi permasalahan tersebut
dikembangkan solid state welding (Wiryosumarto & Okumura, 1981). Penyambungan logam silinder pejal pada as roda truck sering mengalami kendala
retak dingin didaerah terpengaruh panas. Untuk mengatasi hal tersebut,
pengelasan gesek lebih efektif dilakukan untuk mengetahui distribusi temperatur
yang terjadi pada daerah terpengaruh panas, sehingga kendala retak dingin dapat
dihindari.
Pengelasan metode solid state welding, dilakukan dengan cara menggabungkan dua permukaan pada temperatur di bawah titik leleh material
yang disambung tanpa pemberian bahan tambah atau logam pengisi. Jenis-jenis
solid state welding yaitu explosion welding, forge welding, friction welding, radial friction welding dan lain sebagainya (Wiryosumarto & Okumura, 1981). Logam beda jenis yang memiliki sifat mekanik dan termal yang berbeda dapat
disambung dengan metode pengelasan gesek. Pengelasan gesek merupakan
metode penyambungan material yang memanfatkan panas yang ditimbulkan oleh
gesek dapat menyambung material logam yang berbeda jenisnya. Pengelasan ini
tidak membutuhkan logam pengisi, waktu pengelasannya cepat dan temperatur
operasi di bawah titik lebur logam (Shubhavardhan dan Surendran, 2012).
Hazman dkk (2010) dalam penelitiannya tentang las gesek dissimilar
menyatakan bahwa, kekuatan tarik pengelasan lebih rendah dari logam induk
karena pengelasan tidak sempurna. Prediksi awal dibandingkan data thermocouple yang sebenarnya dari pengelasan dilakukan di bawah kondisi yang sama dan
terbukti sesuai. Metode beda hingga dipilih dalam penelitian ini untuk
memberikan penjelasan dalam pengembangan parameter pengelasan dan akan
memungkinkan pemahaman yang lebih baik dari proses pengelasan gesek.
Wenya dan Feifan (2011) mengembangkan, model dua dimensi
dikembangkan untuk pengelasan gesek secara konstan (CDFW) dari baja ringan
berdasarkan software ABAQUS. Pengaruh tekanan aksial dan kecepatan pada
suhu interface dan penyusutan aksial diperiksa. Hasil penelitian menunjukan bahwa meningkatkan tekanan aksial, interface las dapat mencapai suhu kuasi-stabil lebih cepat dan penyusutan aksial akan lebih besar. Temuan serupa diamati
dengan meningkatkan kecepatan putar. Selainitu, dengan meningkatnya waktu
gesek, suhu interface tetap stabil dan penyusutan aksial meningkat secara linear dengan bertambahnya waktu. Percobaan dengan baja ringan juga dilakukan. Hasil
simulasi yang dibandingkan dengan eksperimen.
Uday dkk (2012) melakukan penelitian untuk membangun sebuah analisis
data untuk peningkatan panas akibat gesekan, berdasarkan parameter yang
berbeda dari kondisi kontak antara dua bahan berbeda. Komposit keramik
Al2O3-YSZ dan 6061 Al alloy, yang merupakan contoh sambungan logam akibat
gesekan yang digunakan dalam eksperimen. Logam alumina mengandung 0, 25
dan 50% berat yttria stabil zirkonia diproduksi oleh pengecoran pada cetakan
Plaster Paris dan selanjutnya disinter pada 1600 ° C. Diameter kedua keramik dan
batang logam adalah 16 mm. Kecepatan rotasi untuk pengelasan gesekan adalah
3
memperoleh sifat sambungan dan kondisi operasi, dan memperoleh hasil berarti
dalam pemodelan proses pengelasan dan kekuatan sambungan dalam berbagai
kondisi.
Las gesek seri aluminium 2024 T4-stainless steel AISI 420 merupakan
bahan material yang sulit untuk disambung dengan las fusi dan masih belum
diketahui hasil yang maksimal dari kekuatan lasnya begitu juga distribusi
temperaturnya belum diketahui sehingga perlu dilakukan penelitian
penyambungan menggunakan las gesek.
1.2RumusanMasalah
Berdasarkan uraian latar belakang diatas maka dapat dirumuskan
permasalahan yang timbul adalah bagaimana distribusi temperatur pada
pengelasan logam beda jenis (aluminium 2024 T4-stainless steel AISI 420).
1.3Batasan Masalah.
Batasan masalah dalam penyusunan laporan tugas akhir ini agar
pembahasan dapat mengarah ketujuan penelitian dengan membatasi pokok
masalah sebagai berikut :
1. Asumsi putaran dianggap konstan
2. Diasumsikan getaran yang ditimbulkan tidak mempengaruhi hasil las.
1.4Tujuan Penelitian.
Mengetahui temperature maksimal, waktu pencapaian temperatur
maksimal, dan distribusi temperature selama proses pengelasan gesek CDFW
material logam beda jenis (aluminium 2024 T4 - stainless steel AISI 420).
1.5 Manfaat Penelitian.
Dari penelitian ini maka dapat diambil beberapa manfaat diantaranya :
1. Data dapat menjadi refrensi bagi peneliti selanjutnya tentang pengelasan gesek.
4 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1.Kajian Pustaka
Penelitian terhadap las gesek telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti
terkait kekuatan tarik, kekerasan pemukaan dan struktur mikro. Oleh karena itu
pembahasan tentang pengkajian pustaka ini difokuskan pada perolehan data
tekanan tempa dan waktu tempa dengan las gesek (friction welding).
Hazman dkk (2010) meneliti baja ringan dan aluminium dilas untuk
mengetahui efek termal, dan metode satu dimensi beda hingga eksplisit digunakan
untuk mendekati pemanasan dan pendinginan distribusi temperatur dari
sambungan. Mengamati efek termal dari gesekan pada pengelasan gesek disimilar
aluminium dan mild steel. Pengujian yang dilakukan adalah uji struktur mirko, uji
kekerasan dan uji tarik. Parameter yang digunakan adalah temperatur. Pemanasan
dan pendinginan suhu profil diprediksi dari pengelasan gesek yang sesuai dengan
profil suhu eksperimental. Dihitung suhu pemanasan puncak di x = 2 mm dari
interface 434 ◦C untuk pendinginan waktu t = 3,15 s. pada waktu 3,244 s, suhu
masih meningkat hingga 436 ◦C dan kemudian turun secara bertahap menjadi 292 ◦C setelah 6,3 s. Proses pemanasan dan pendinginan yang kira-kira dihitung
sekitar 138 ◦C / s dan 45 ◦C / s, masing-masing. Sementara di lokasi x = 10 mm dari interface, dihitung suhu pemanasan puncak 112 ° C.
Wenya dan Feifan (2011) mengembangkan model dua dimensi
dikembangkan untuk pengelasan gesek secara konstan (CDFW) dari baja ringan
berdasarkan software ABAQUS. Pengaruh tekanan aksial dan kecepatan pada
suhu interface dan penyusutan aksial diperiksa. Hasil penelitian menunjukkan bahwa meningkatkan tekanan aksial, interface las dapat mencapai suhu kuasi-stabil lebih cepat dan penyusutan aksial akan lebih besar. Temuan serupa diamati
dengan meningkatkan kecepatan putar. Selain itu, dengan meningkatnya waktu
5
simulasi yang dibandingkan dengan eksperimen. Hasil simulasi yang diperoleh di
bawah kecepatan putar, tekanan aksial, tekanan tempa, waktu gesek dan waktu
tempa 1200 rpm, 200 MPa, 400 MPa, 3,5 dan 0,1 s, masing-masing. Dilihat
bahwa suhu interface meningkat tajam sampai sekitar 1000 ◦C dalam waktu 0,1 s (t = 0,1 s). Dengan meningkatnya waktu pengelasan, tinggi zona suhu melebar
dari interface las karena konduksi panas dalam spesimen. Selain itu, suhu maksimum interface menunjukan peningkatan cepat untuk suhu kuasi-stabil
platform dengan fluktuasi kecil saat suhu mencapai sekitar 1200 ◦C. Hal ini
berdasarkan flash yang tidak cukup besar pada waktu 1,5 s, tetapi volume flash
mulai membesar pada waktu pengelasan 1,5 s sampai 3,5 s dan flash terbesar
diperoleh setelah proses penempaan (t = 3,6 s). Selanjutnya pemendekan aksial
terbesar (sekitar 7.7mm). Selama proses penempaan, suhu interface menurun drastis dengan ekstrusi bahan termoplastik bersuhu tinggi.
Uday dkk (2012) membangun sebuah analisis data untuk peningkatan
panas akibat gesekan, berdasarkan parameter yang berbeda dari kondisi kontak
antara dua bahan berbeda. Komposit keramik Al2O3-YSZ dan 6061 Al alloy,
yang merupakan contoh sambungan logam akibat gesekan yang digunakan dalam
eksperimen. Logam alumina mengandung 0, 25 dan 50% berat yttria stabil
zirkonia diproduksi oleh pengecoran pada cetakan Plaster Paris dan selanjutnya
disinter pada 1600 ° C. Diameter kedua keramik dan batang logam adalah 16 mm.
Kecepatan rotasi untuk pengelasan gesekan adalah antara 630 dan 2500 rpm.
Sebagai hasilnya, data yang berbeda dievaluasi untuk memperoleh sifat
sambungan dan kondisi operasi, dan memperoleh hasil berarti dalam pemodelan
proses pengelasan dan kekuatan sambungan dalam berbagai kondisi. Pengelasan
gesek menghasilkan gradien suhu yang dekat dengan proses penyambungan. Suhu
pada gesekan interface meningkat tajam karena variasi gesek dan sifat plastis. Hal ini terbukti dengan menjaga gaya gesek (5000 N) konstan, dengan meningkatnya
kecepatan rotasi, suhu puncak ikut meningkat. Namun untuk mencapai kekuatan
sambungan yang baik, suhu operasi terbaik untuk alumina / 6061 Al alloy sekitar
komposit alumina-YSZ /6061 Al alloy berkisar 129,1 ◦C sampai 139.4 ◦C pada
kecepatan putar yang lebih rendah (630-900 rpm). Koefisien gesek dan beban
gesek yang konstan untuk penelitian saat ini, peningkatan kecepatan putar harus
dikaitkan dengan sifat material dan jumlah konduktivitas termal untuk bahan pada
penelitian ini.
2.2.Dasar Teori
Perkembangan penggunaan teknik pengelasan dalam bidang kontruksi
sangat luas, meliputi perkapalan, jembatan, rangka baja, bejana tekan, pipa pesat,
pipa saluran, kendaraan rel dan lain sebagainya. Las dapat juga digunakan untuk
reparasi misalnya untuk mengisi lubang-lubang pada coran, mempertebal bagian
yang aus dan macam-macam reparasi lainnya (Wiryosumarto dan Okumura;
2008). Secara sederhana dapat diartikan bahwa pengelasan merupakan proses
penyambungan dua buah logam sampai titik rekristalisasi logam baik
mengunakan bahan tambahan maupun tidak dan menggunakan energi panas
sebagai pencair bahan yang dilas.
Deutche Industrie Normen (DIN) mendefinisikan las adalah ikatan metalurgi pada sambungan logam atau logam paduan yang dilaksanakan dalam
keadaan lumer atau cair. Pengelasan (welding) adalah salah satu proses penyambungan dua buah logam sampai titik rekristalisasi logam baik
menggunakan bahan tambahan maupun tidak dan menggunakanenergi panas
sebagai pencair bahan yang dilas (Wiryosutomo dan Okumura 2008). Selain untuk
menyambung, proses pengelasan dapat juga digunakan untuk memperbaiki,
misalnya untuk mengisi atau menambal lubang-lubang pada bagian-bagian coran
yang sudah aus.
Berdasarkan kerjanya, pengelasan digolongkan menjadi :
1. Pengelasan cair adalah cara pengelasan dimana sambungan dipanaskan
sampai mencair dengan sumber panas dari busur listrik atau sumber api
7
2. Pengelasan tekan adalah cara pengelasan dimana sambungan dipanaskan
dan kemudian ditekan hingga menjadi satu.
3. Pematrian adalah cara pengelasan dimana sambungan diikat dan disatukan
dengan menggunakan paduan logam yang mempunyai titik cair rendah.
Dalam hal ini logam induk tidak turut mencair.
2.3. Daerah Lasan a. Las Fusi
Daerah pengelasan adalah daerah yang terkena pengaruh panas pada saat
pengelasan, pengaruh panas tersebut menyebabkan perubahan struktur mikro, sifat
mekanik dan ada yang tidak merubah struktur mikro dan sifat mekanik.Daerah
pengelasan dibagi menjadi 4 ditunjukan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1.Daerah las fusi.
Sumber: www.teknikmesin.org/daerah-pengaruh-panas-haz/
Daerah lasan terdiri dari empat bagian yaitu: (Wiryosumarto dan Okumura, 1981)
1. Logam lasan (weld metal), adalah daerah endapan las (weld deposit) dari logam yang pada waktu pengelasan mencair dan kemudian membeku. Endapan las
(weld deposit) berasal dari logam pengisi (filler metal).
2. Garis gabungan (fusion line), adalah garis gabungan antara logam lasan dan HAZ, dapat dilihat dengan mengetsa penampang las. Daerah ini adalah batas
bagian cair dan padat dari sambungan las.
3. HAZ (Heat Affected Zone), adalah daerah pengaruh panas atau daerah dimana logam dasar yang bersebelahan dengan logam las yang selama pengelasan
mengalami siklus termal atau pemanasan dan pendinginan dengan cepat.
logam cair dan kecepatan dari pengelasan. Pada batas HAZ dan logam cair
temperatur naik sangat cepat sampai batas pencairan logam dan temperatur
turun sangat cepat juga setelah proses pengelasan selesai. Hal ini dapat disebut
juga sebagai efek quenching. Pada daerah ini biasanya terjadi transformasi struktur mikro. Struktur mikro menjadi austenit ketika temperatur naik (panas)
dan menjadi martensit ketika temperatur turun (dingin). Daerah yang terletak
dekat garis fusi ukuran butirnya akan cenderung besar yang disebabkan oleh
adanya temperatur tinggi, menyebabkan austenit mempunyai kesempatan besar
untuk menjadi homogen. Karena dengan keadaan homogen menyebabkan
ukuran butir menjadi lebih besar. Sedangkan daerah yang semakin menjauhi
garis fusi ukuran butirnya semakin mengecil. Hal ini disebabkan oleh
temperatur yang tidak begitu tinggi menyebabkan austenit tidak mempunyai
waktu yang banyak untuk menjadi lebih homogen. Transformasi struktur mikro
yang terjadi akibat perubahan temperatur menyebabkan daerah HAZ sangat
berpotensi terjadinya retak (crack) dalam hal ini sangat penting untuk
diperhatikan untuk mendapatkan hasil lasan yang baik.
4. Logam induk (parent metal), adalah bagian logam yang tidak terpengaruh oleh pemanasan karena proses pengelasan dan temperatur yang disebabkan
selamaproses pengelasan tidak menyebabkan terjadinya perubahan struktur dan
sifat-sifat dari logam induk. Hal ini disebabkan karena temperatur atau suhu
yang terjadi di logam induk belum mencapai temperatur kritis.
b. Las Gesek
Terlihat profil daerah las gesek dimana terdapat daerah tempa, sedikit daerah
terpengaruh panas (HAZ), dan logam induk (Base Metal). Profil tersebut juga
tedapat garis fusi, flash, dan deformasi plastis pada interface. Metode las gesek bergantung pada perubahan langsung dari energi mekanik ke energi termaluntuk
membentuk lasan, tanpa aplikasi panas dari sumber yang lain. Dibawah kondisi
9
Gambar 2.2. Daerah les gesek.
Sumber: www.slideshare.net/surajaggarwal094/welding-lectures-1-3
Berdasarkan daerah pada pengelasan gesek di bagi menjadi 3 daerah
pengelasan yaitu : Daerah 1 : daerah gesekan (friction phase), Daerah 2 : daerah berhenti (breaking phase), Daerah 3 : daerah penempaan / tempa (forging phase). Daerah 1 adalah daerah gesekan merupakan daerah dimana dua buah logam di
gesekan untuk meningkatkan temperatur. Waktu yang di butuhkan cukup besar
dibandingkan daerah lainya. Daerah 2 adalah daerah berhenti dimana pada daerah
ini durasi waktu harus secepat mungkin supaya temperatur panas tidak hilang.
Daerah 3 merupakan daerah penempaan / tempa dimana pada daerah ini diberi
gaya tertentu dan diberi waktu saat penempaan berlangsung.
2.4. Pengelasan Gesek (Friction Welding)
Elmer dan Kautz (1983), pengelasan gesek (friction welding) adalah proses
pengelasan bahan pejal di mana panas untuk pengelasan diproduksi oleh gerak
relatif dari dua permukaan yang kontak. Metode ini bergantung langsung pada
konversi energi mekanik ke energi termal untuk membentuk pengelasan, tanpa
aplikasi dari sumber panas lain.
Penyambungan terjadi oleh panas gesek akibat perputaran logam satu terhadap
logam lainnya dibawah pengaruh tekan aksial. Kedua permukaan yang
bersinggungan terjadi panas mendekati titik cair sehingga permukaan yang
Proses pengelasan gesek
1. Salah satu logam poros diputar, bersamaan dengan logam poros
yang satunya di tekan dengan tekanan aksial
2. Kedua logam poros satu sama lain disinggungkan sehingga timbul
panas akibat gesekan.
3. Akibat gesekan yang menimbulkan panas, sampai mendekati titik
lebur logam tersebut sehingga terjadi flash
4. Kemudian mesin dimatikan, setelah mesin berhenti secara
langsung diberikan tekanan aksial. Terbentuklah sambungan las
gesek antara dua poros logam tersebut.
2.4.1. Keuntungan Pengelasan Gesek
Keuntungan dari las gesek adalah sebagai berikut:
a. Proses yang ramah lingkungan karena tidak menghasilkan asap, gas atau asap
b. Cocok untuk jumlah produksi yang banyak
c. Kemungkinan terjadinya porositas dan inklusi terak dapat dihindarkan
d. Pengelasan berpenampang yang tidak sama dapat dilakukan dengan proses
pengelasan ini
e. Bahan berbeda karakteristiknya dapat dilakukan dengan las gesek ini
f. Proses las gesek ini konsisten dan berulang-ulang
g. Mengkonsumsi energi yang rendah dan tegangan las rendah
h. Tidak ada bahan tambahan yang dibutuhkan
i. Mengurangi biaya pemeliharaan, mengurangi tenaga kerja mesin,
meningkatkan kapasitas dan mengurangi biaya perkakas yang mudah rusak
j. Mengurangi biaya untuk tempa kompleks atau coran
k. Memiliki kontrol yang akurat pada toleransi lasan
l. Tidak ada fluks atau filler logam atau gas yang diperlukan dalam kasus las
11
2.4.2. Aplikasi Las Gesek
Berbagai macam hasil sambungan dari pengelasan las gesek, dangan
menggunakan dua logam yang berbeda (dissimilar). Seperti ditunjukan pada gambar 2.3
b
Gambar 2.3.Contoh aplikasi pengelasan gesek metode rotary.a). Bentuk baut klem b). Cylinder c). Peralih penghubung pada reaktor nuklir (Al Alloy-Steel)
Sumber : Materials Aso. 2016. Friction Welding in the Manufacturing of OME Chemical Processing Equipment – A Case Study by American Friction
Welding.
http://www.azom.com/articlelD=4606. 20 April 2016.
2.5. Logam Aluminium 2024 T4
2.5.1. Klasifikasi Logam Aluminium 2024 T4
Menurut Surdia, T dan Saito, 1999 Aluminium adalah logam yang paling
banyak terdapat di kerak bumi, dan unsur terbanyak ketiga setelah oksigen dan
silikon. Aluminium pertama kali ditemukan sebagai unsur pada tahun 1809 oleh
Sir Humphrey Davy. Beberapa tahun sesudahnya, yaitu pada tahun 1886 secara
bersamaan Paul Heroult dari Perancis dan Charles Martin Hall dari Ohio
memperoleh logam aluminium dari alumina dengan cara elektrolisa. Sifat tahan
korosi aluminium diperoleh dari terbentuknya lapisan oksida aluminium dari
permukaan aluminium. Lapisan oksida ini melekat kuat dan rapat pada
permukaan, serta stabil (tidak bereaksi dengan lingkungan sekitarnya) sehingga
melindungi bagian dalam. Paduan aluminium dapat dibagi menjadi dua kelompok,
a c
yaitu aluminium wronglt alloy (lembaran) dan aluminium costing alloy (batang cor).
Unsur paduan yang digunakan untuk meningkatkan sifat mekanik
aluminium adalah tembaga, mangan, silikon, magnesium, nikel dan lain
sebagainya. Dimana paduan aluminium tersebut dapat diklasifikasikan menjadi
beberapa jenis, yaitu Al-murni, Al-Cu, Al-Mn, Al-Si, Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn
dan jenis paduan Al yang lainya. Salah satu paduan aluminium yang banyak
digunakan adalah jenis Al-Cu atau paduan seri 2XX.X yang memiliki nama
dipasaran duralumin. Aluminium Alloy 2024 atau Duralumin merupakan sistem paduan aluminium-tembaga diperkaya dengan silikon, magnesium dan bersifat
heattreatable khususnya akibat natural andartificially aging. Pada suhu atmosfer, duralumin mempunyai strength-to-eightratio yang lebih tinggi dari steel. Duralumin tempa mempunyai kekuatan yang tinggi, umumnya digunakan untuk
heavy-dutyforging, aircarft fitting, truck frame, roda gigi dan poros, baut, clock parts, computer part, kopling, fuse parts, hydraulic valve bodies, missile parts, amunisi, nuts, piston, rectifier parts, worm gear, fastening devices, peralatan kedokteran hewan, ortopedic, structures. Konduktivitas duralumin yang tinggi direkomendasikan untuk memproduksi pengecoran in line system dengan cetakan permanen sampai cetakan tekan. Kualitas pengecoran pada umumnya ditentukan
dari diskontinuitas subsurface seperti porositas dan struktur metalurgi akhir (Suprapto, 2012).
2.6. Stainless Steel AISI 420
2.6.1. Klasifikasi Logam Stainless Steel AISI 420
Stainless steel adalah logam paduan dari beberapa unsur logam dengan
komposisi tertentu. Sehingga didapatkan sifat baru dari logam tersebut yang lebih
kuat, lebih tahan terhadap korosi, dan sifat unggul lainnya. Stainless merupakan
baja paduan yang mengandung minimal 10,5% Cr. Stainless mengandung lebih
13
oksidasi yang tinggi di udara dalam suhu lingkungan biasanya dicapai karena
adanya tambahan minimal 13% (dari berat) krom.
Kategori Stainless Steel tidak sama seperti baja lainnya berdasarkan
persentase karbon tetapi, berdasarkan pada struktur metalurginya. Terdapat lima
golongan utama Stainless Steel yaitu austenitik, ferritik, martensitik, duplex, dan
precipitation hardening.
1. Stainless Steel austenitic
Stainless Steel austenitik sengandung sedikitnya 16% Krom dan 6% Nikel
(grade standar untuk 304), sampai ke grade super Stainless Steel austenitik seperti
904L (dengan kadar Krom dan Nikel lebih tinggi serta unsur tambahan
Molibdenum sampai 6%). Molibdenum (Mo), Titanium (Ti), Copper (Co)
berfungsi untuk meningkatkan ketahanan temperatur serta korosi. Austenitik
cocok juga untuk aplikasi temperatur rendah yang disebabkan oleh unsur Nikel
membuat Stainless Steel tidak menjadi rapuh pada temperatur rendah. Tipe yang
termasuk austenitik adalah 201, 303, 308, dan lainnya.
2. Stainless Steel ferritik
Stainless Steel ferritik kadar Krom bervariasi antara 10,5 – 18 % seperti
grade 430 dan 409. Ketahanan korosi tidak begitu istimewa dan relatif lebih sulit
di fabrikasi / machining. Tetapi kekuranganini telah diperbaiki pada grade 434 dan 444 dan secara khusus pada grade 3Cr12.
3. Stainless Steel martensitik
Stainless Steel jenis ini memiliki unsur utama Krom (masih lebih sedikit
jika dibandingStainless Steel ferritik) dan kadar karbon relatif tinggi misalnya
grade 410 dan 416. Grade 431 memiliki Krom sampai 16% tetapi
mikrostrukturnya masih martensitik disebabkan hanya memiliki Nikel 2%. Grade
kekuatan yang lebih tinggi maka dapat di hardening. Tipe lain yang termasuk martensitik adalah 420, 422, 440A, dan lainnya.
4. Stainless Steel duplex
Stainless Steel duplex seperti 2304 dan 2205 (dua angka pertama
menyatakan persentase Krom dan dua angka terakhir menyatakan persentase
Nikel) memiliki bentuk mikrostruktur campuran austenitik dan feritik. Duplex
memiliki kombinasi sifat tahan karat dan temperatur relatif tinggi atau secara
khusus tahan terhadap stress corrosion cracking. Meskipun stress corrosion
cracking-nya tidak sebaik ferritik tetapi ketangguhannya jauh lebih baik (superior) dibanding ferritik dan lebih buruk dibanding austenitik. sementara kekuatannya lebih baik dibanding austenitik (yang di anil) kira-kira 2 kali lipat.
Duplex ketahanan korosinya sedikit lebih baik dibanding 304 dan 316 tetapi,
ketahanan terhadap pitting corrosion jauh lebih baik (superior) dibanding 316. Ketangguhan duplex akan menurun pada temperatur di bawah 50°C dan di atas
300°C.
5. Stainless Steel precipitation hardening
Stainless Steel precipitation hardening adalah Stainless Steel yang keras dan kuat akibat dari dibentuknya suatu presipirat (endapan) dalam struktur mikro
logam. Sehingga gerakan deformasi menjadi terhambat dan memperkuat material
Stainless Steel. Pembentukan ini disebabkan oleh penambahan unsur Tembaga
(Cu), Titanium (Ti), Niobium (Nb), dan Aluminium (Al). Proses penguatan
umumnya terjadi pada saat dilakukan pengerjaan dingin (cold working).
2.7.Distibusi Temperatur Selama Pengelasan Gesek
Temperatur adalah suatu penunjukan nilai panas atau nilai dingin yang
dapat diperoleh / diketahui dengan menggunakan suatu alat yang dinamakan
termometer. Termometer adalah suatu alat yang digunakan untuk mengukur dan
15
1. Mencegah kerusakan pada alat-alat tersebut
2. Mendapatkan mutu produksi/kondisi operasi yang di inginkan
3. Pengontrolan jalannya proses
2.7.1.Metode pengukuran temperatur
Ada 2 (dua) cara mengukur temperatur yaitu :
1. Metoda Pemuaian, yaitu panas yang diukur menghasilkan pemuaian,
pemuaian dirubah kedalam bentuk gerak-gerak mekanik kemudian
dikalibrasi dengan skala angka-angka yang menunjukkan nilai panas
(temperatur) yang diukur.
2. Metoda Elektris, yaitu panas yang diukur menghasilkan gaya gerak listik
(Emf). Gaya gerak listrik kemudian dikalibrasi kedalam skala angka-angka
yang menunjukkan nilai panas (temperatur) yang diukur.
2.7.2.Jenis – jenis Alat Ukur Temperatur
Secara sederhana, alat ukur temperatur dapat dibagi dalam dua kelompok
besar yaitu :
1. Alat ukur temperatur dengan metoda pemuaian, terdiri dari :
a.Termometer tabung gelas
b.Termometer Bi-metal
c.Filled thermal termometer
2. Alat ukur temperatur dengan metode elektris, terdiri dari :
a.Termokopel
b.Resistance termometer
2.7.3.Prinsip kerja termokopel
Termokopel bekerja berdasarkan pembangkitan tenaga listrik pada titik
sambung dua buah logam yang tidak sama (titik panas/titk ukur). Ujung lain dari
logam tersebut sering disebut titik referensi (titik dingin) dimana temperaturnya
Gambar2.4 Rangkaian Dasar Termokopel Sumber: Dewi, J. (2010)
Umumnya termokopel digunakan untuk mengukur temperatur berdasarkan
perubahan temperatur menjadi sinyal listrik. Bila antara titik referensi dan titik
ukur terdapat perbedaan temperatur, maka akan timbul GGL yang menyebabkan
adanya arus pada rangkaian. Bila titik referensi ditutup dengan cara
menghubungkannya dengan sebuah alat pencatat maka penunjukan alat ukur akan
sebanding dengan selisih temperatur antara ujung panas (titik ukur) dan ujung
dingin (titik referensi).
Gambar2.5 Bentuk Fisik Termokopel Sumber: Dewi, J. (2010)
Pada Gambar 2.6 dapat dilihat bentuk fisik dari sebuah termokopel. Bagian luar termokopel berupa tabung logam pelindung yang berguna untuk
menjaga kondisi termokopel agar tidak terpengaruh banyak oleh lingkungan
dimana alat tersebut ditempatkan,
2.7.4.Fungsi Termokopel
Termokopel pada proses ini berfungsi sebagai pendeteksi temperatur pada
Holding furnace. Termokopel berupa tranducer yang mendeteksi temperatur padadapur dan mengubahnya ke besaran listrik yaitu tegangan. Kemudian
17
besaran temperatur. Termokopel ini bekerja setiap waktu selama proses berjalan,
untuk memberi tahu setiap perubahan ataupun kondisi temperatur pada Holding furnace.
2.7.5.Termokopel sebagai sensor panas
Termokopel pada dasarnya adalah dua logam penghantar arus listrik dari
bahan yang berbeda. Salah satu ujung-ujungnya dilas mati dan ujung yang satunya
dibiarkan terbuka untuk sambungan ke lingkaran pengukuran. Sambungan yang di
las mati disebut measuring junction sedangkan ujung yang satunya disebut
reference junction. Seperti dapat kita lihat pada Gambar 4.7 sebagai berikut.
18 BAB III
METODE PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian
Sebelum melakukan proses penelitian tentang pengelasan gesek dibuatlah
diagram alir untuk menggambarkan proses-proses operasionalnya sehingga mudah
dipahami dan dilihat berdasarkan urutan langkah dari proses penelitian. Diagram alir
dapat dilihat padagambar 3.1.
Gambar 3.1. Diagram Alir Pengujian Identifikasi Masalah
Persiapan Alat dan Bahan
Pengelasan gesek (friction welding)
1. Putaran 1000 rpm
2. Variasi Waktu Gesek
3. Variasi Tekanan
4. Pengukuran Distribusi Temperatur
Proses Pengujian Uji Tarik
Mulai
Terhubung
Ya
Analisis data
Kesimpulan dan saran
Selesai
19
3.2. Identifikasi Masalah
Identifikasi masalah dalam penelitian ini ialahpada parameter proses
pengelasan gesek terutama pemberian gaya pada saat pengelasan gesek dan
penempaan setelah gesekan pada material aluminium 2024 T4 dan stainless steel
AISI 420. Perlu adanya penelitian untuk memperoleh parameter-parameter tersebut
dalam pengelasan gesek sehingga dapat dijadikan sebagai acuan pada pengelasan
selanjutnya.
3.3. Perencanaan Penelitian
3.3.1. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini meliputi dua kegiatan utama yaitu pembuatan dan pengujian.
Untuk pembuatan spesimen dan pengujian spesimen dilakukan di Laboratorium
Permesinan, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Waktu
penelitian 1 Juli 2016 – Agustus 2016.
Tempat penelitian yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai
berikut :
a. Laboratorium Fabrikasi Teknik Mesin UMY.
b. Laboratorium Material Teknik Teknik Mesin UMY
1. Variabel bebas adalah variabel yang ditentukan sebelum penelitian.
Vaiabel bebas pada penelitian tersebut dapat dilihat pada tabel 3.1
2. Variabel terikat adalah variabel yang nilainya tergantung dari variabel
bebas.
Variabel terikat ini adalah :
- Kekuatan tarik
3. Variabel kontrol yang besarnya dikendalikan selama penelitian.
Variabel kontrol pada penelitian ini adalah :
- Putaran spindel 1000 Rpm
- Bahan yang digunakan adalah aluminium 2024 T4 dan stainless steel
- Diameter bahan yang digunakan untuk las gesek adalah 14 mm
- Bentuk spesimen uji tarik sesuai standar JIZ ( Japan Industrial Standard ) Z 2201 .
Gambar 3.2.Spesimen Uji Tarik Standar JIS Z 2201
Dari beberapa variabel dapat dibuat tabel sebagai acuan pelaksanaan
penelitian pengelasan gesek variasi pengaruh waktu gesek 5, dan 7.5 detik terhadap
kekuatan tarik bahan aluminium 2024 T4 dan stainless steel AISI 420. Tabel
rancangan penelitian ditunjukan pada tabel 3.1.
21
3.3.2. Pengadaan Alat dan Bahan A. Alat utama
1. Alat penelitian
Gambar 3.3. Mesin las gesek yang digunakan sebagai las gesek Alumunium Alloy 2024-T4 dan Stainless Steel AISI 420
Dalam penelitian, Mesin las gesek ini digunakan sebagai penyambung silinder
pejal Alumunium Alloy 2024-T4 dan Stainless Steel AISI 420. Pada bagian chuck yang terhubung dengan silinder hidrolik diberikan penahan tambahan agar stainless
yang telah dibentuk tidak ikut bergeser ketika diberikan gaya tempa pada waktu
2. Mesin Bubut
Gambar 3.4. Mesin Bubut
Mesin bubut digunakan untuk membuat 30 spesimen dengan standar JIS Z 2201.
Spesimen yang dibentuk terdiri dari 15 spesimen Aluminium Alloy2024-T4 dan 15
spesimen Stainless Steel AISI 420 yang telah dipotong sebelumnya sepanjang 70 mm
dengan diameter 1 inchi.
3. Alat Uji Tarik
Universal Testing Machine (UTM), adalah alat yang digunakan untuk
melakukan pengujian tarik sambungan las gesek. Tempatnya di Laboratorium
Fabrikasi Teknik Mesin UMY. Spesimen yang akan diuji tarik adalah 4 spesimen dari
hasil las gesek antara Alumimium Alloy 2024-T4 dengan Stainless Steel AISI 420.
23
Gambar 3.5. Alat Uji Tarik
Mesin Universal Testing Machine (UTM).Model GT-7001-LC50, serial no
TC0702028, capacity 50T0N S, volt 3 V50HZ.
4.Load cell
Spesifikasi : H3-C3-3.0T-6B, Capacity : 3.0T, Class : C3
5. Thermocouple Welder
Gambar 3.7. Thermocouple Welder 6. Data Loger
Spesifikasi : OM-USB-TC and OM-USB-5201 Have 8 Thermocouples Inputs,
USB-TC-AI Has 4 Thermocouple Inputs and 4 Analog Voltage Inputs,
OM-USB-5201 Has Data Logging Capability (Compact Flash), 24-Bit Resolution,
software Programmable for Thermocouple Types J, K, T, E, R, S, B, N. , Built-In
Cold junction Compensation and Open Thermocouple Detection, Eight Digital I/O,
No External Power Supply Required (Except for OM-USB-5201), Sumber : OMEGA
Engineering inc.
25
7. Power Supply
Spesifikasi : Model OMRON, 24 Volt, Ampere
Gambar 3.9Power Supply
2. Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan dalam pengujian ini adalah : a. AluminiumSeri 2024 T4 silindar pejal.
Tabel 3.2. paduan aluminium
Sumber : PT. Cahaya Dewantara Sejati
b. Stainless SteelAISI420silinder pejal.
Tabel 3.3. paduan stainless steel
C Si Mn P S Cr Ni
0.36 0.46 0.47 0.019 0.008 12.87 0.10
Sumber : PT. Cahaya Dewantara Sejati
3.4. Persiapan Penelitian
Persiapan sebelum melakukan penelitian atau percobaan alat harus dalam
kondisi baik agar hasil dan data yang diperoleh lebih akurat dan teliti, adapun
3.4.1. Alat ukur
Alat ukur seperti pressure gauge, stop watch, jangka sorong, dan mistar sebelum digunakan harus diperiksa dan dipastikan dalam kondisi normal dan standar,
atau disebut dengan kalibrasi alat.
3.4.2. Kalibrasi Mesin Friction Welding
Kalibrasi Mesin Friction Welding bertujun untuk mendapatkan hasil pengujian yang sesuai parameter yang diinginkan. Sehingga variasi yang diberikan
untuk pengujian dapat ditentukan. Variasi dalam pengujian yang diberikan adalah
variasi tekanan. Kalibrasi Mesin Friction Welding dilakukan dengan cara penekanan pegas untuk mengukur seberapa besar tekanan yang dapat diberikan dengan
penyetelan katup pressure gauge. Penyetelan ini dimaksudkan untuk mengetahui seberapa besar tekanan setiap dilakukan pembukaan katup secara bervariasi
3.5.Pelaksanaan Penelitian
3.5.1. Parameter yang Digunakan dalam Perhitungan
Pada pengujian ini dilakukan beberapa parameter untuk perhitungan tekanan
dan tegangan tarik maksimal diantaranya adalah sebagai berikut:
1.Menghitung tekanan gesekan
………(3.1)
2. Menghitung tekanan (P)
Tekanan dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut:
27
3. Menghitung tegangan tarik maksimal
Tegangan tarik maksimal dapat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut:
u=
……….
(3.4)keterangan:
u : tegangan tarik maksimal (MPa)
F : gaya (N)
A0 : luas penampang sebelum dibebani (mm2)
3.5.2. Mesin Friction Welding
Mesin friction welding ini adalah alat utama untuk penelitian. Alat ini untuk proses pengelasan atau proses penyambungan dua logam. Seperti pada gambar 3.8.
Gambar 3.10. Skema Mesin Friction Welding. 3.5.3. Pembuatan Bentuk Spesimen
a. Persiapkan alat dan raw material pengelasan gesek.
b. Potong menggunakan gergaji aluminium (panjang 80 mm) dan stainless
steel (panjang 70 mm).
d. Bubutlah spesimen uji tersebut dengan Standar JIS 2241.
e. Setelah spesimen uji telah dibuat, selanjutnya memulai pelaksanaan
pengelasan gesek.
3.5.4. Proses pengelasan
Langkah-langkah yang dilakukan dalam proses pengelasan adalah:
a. Pemotongan bahan aluminium 2024 T4 dan stainless steel AISI 420 lalu
dibuat standar dari JIS Z 2201
Gambar 3.11. Hasil pemotongan bahan aluminium dan stainless yang sudah dibuat standar JIS Z 2201
b. Meratakan ujung bahan aluminium dengan mesin bubut bertujuan agar saat
terjadinya las gesek kedua permukaan rata, sehingga dapat mengurangi
getaran antara kedua bahan yang tidak rata.
29
c. Memasang bahan di chuke mesin dan di toolspot dengan posisi center agar tidak terlalu banyak goncangan.
Gambar 3.13. Pemasangan bahan diposisikan center.
d. Menyetel putaran yang ada di headstock mesin bubut tepatnya di spindle speed slector dengan mengatur handle di posisi putaran 1000 rpm.
e. Menyalakan mesin bubut.
f. Melakukan tekanan secara perlahan-lahan yaitu mecapai beban 30 N sehingga
terjadi gesekan antara kedua bahan sampai timbul panas akibat gesekan.
g. Atur posisi tekanan upset sebesar 60,60,60 dan 85 MPa..
h. Setel waktu penggesekan yaitu 5 detik sampai 7.5 detik,
i. Menghentikan mesin setelah penggesekan selesai dan waktu gesek sudah di
tentukan lakukan pengaturan waktu tempa sebesar 55 dan 60 detik.
3.6. Proses Pengujian
Uji tarik adalah salah satu uji stress-strain mekanik yang bertujuan untuk mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik. Dalam pengujiannya, bahan uji
ditarik sampai putus. Uji tarik rekayasa banyak dilakukan untuk melengkapi
informasi rancangan dasar kekuatan suatu bahan dan sebagai data pendukung bagi
sesumbu yang bertambah secara kontinyu, bersamaan dengan itu dilakukan
pengamatan terhadap perpanjangan yang dialami benda uji (Davis, Troxell, dan
Wiskocil, 1955). Kurva tegangan regangan rekayasa diperoleh dari pengukuran
perpanjangan benda uji.
a. Batas elastis σE (elastic limit) dinyatakan dengan titik A. Bila sebuah bahan diberi beban sampai pada titik A, kemudian bebannya dihilangkan, maka bahan
tersebut akan kembali ke kondisi semula (tepatnya hampir kembali ke kondisi
semula) yaitu regangan “nol” pada titik O.
b. Batas proporsional σp (proportional limit) Titik sampai di mana penerapan hukum Hook masih bisa ditolerir. Biasanya batas proporsional sama dengan batas
elastis.
c. Deformasi plastis (plastic deformation) Yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula. Pada gambar yaitu bila bahan ditarik sampai melewati
batas proporsional dan mencapai daerah landing.
d. Tegangan luluh atas σuy (upper yield stress) Tegangan maksimum sebelum bahan memasuki fase daerah landing peralihan deformasi elastis ke plastis.
e. Tegangan luluh bawah σly (lower yield stress) Tegangan rata-rata daerah landing sebelum benar-benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya
disebutkan tegangan luluh (yield stress), maka yang dimaksud adalah tegangan ini.
f. Regangan luluh εy (yield strain) Regangan permanen saat bahan akan plastis. Pada saat beban dilepaskan regangan ini tetap tinggal sebagai perubahan
permanen bahan.
i. Regangan total (total strain) Merupakan gabungan regangan plastis dan
31
regangan yang ada adalah regangan total. Ketika beban dilepaskan, posisi
regangan ada pada titik E dan besar regangan yang tinggal (OE) adalah regangan
plastis.
j. Tegangan tarik maksimum TTM (UTS, ultimate tensile strength) ditunjukkan
dengan titik C (σβ), merupakan besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji tarik.
k. Kekuatan patah (breaking strength) ditunjukkan dengan titik D, merupakan besar tegangan di mana bahan yang diuji putus atau patah.
Hukum Hooke (Hooke's Law) Untuk hampir semua logam, pada tahap sangat awal dari uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding lurus
dengan perubahan panjang bahan tersebut. Ini disebut daerah linier atau linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban mengikuti aturan Hooke sebagai
berikut : rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan. Stress adalah beban dibagi luas penampang bahan seperti persamaan 3.4 dan strain adalah pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan seperti persamaan 3.5.
Stress: σ = F/A ………..……… (3.4)
F: gaya tarikan, (N)
A: luas penampang.(mm2)
Strain: ε =
………...………...….
(3.5.)ΔL: pertambahan panjang, (mm) L: panjang awal (mm)
Hubungan antara stress dan strain dirumuskan dengan hukum Hooke: E = σ /ε
Untuk memudahkan pembahasan, diagram modifikasi dari hubungan antara
gaya tarikan dan pertambahan panjang menjadi hubungan antara tegangan dan
regangan (stress vs strain). Sehingga peneliti dapatkan kurva tegangan regangan. E
adalah gradien kurva dalam daerah linier, di mana perbandingan tegangan (σ) dan
Kurva yang menyatakan hubungan antara strain dan stress seperti ini sering disingkat kurva SS (SS curve).
33 BABIV
HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1.Proses Pengambilan Data.
Pada proses penyambungan, pengukuran gaya tekan dilakukan menggunakan
load cell, dimana gaya pada load cell sudah ditentukan terlebih dahulu. Disamping
itu saat proses pengelasan berlangsung dilakukan pengukuran temperatur
menggunakan alat termokopel. Termokopel dipasang pada benda kerja yang diam
yaitu pada spesimen Al 2024 T4. Data temperatur yang diperoleh digunakan
untuk mengetahui bagaimana distribusi temperatur pada pengelasan logam beda
jenis Aluminium Alloy2024-T4 dengan Stainless Steel AISI 420. 4 buah spesimen
telah dilas selanjutnya dilakukan pengambilan data pengujian tarik. Untuk
mengetahui panas distribusi temperatur terhadap pengukuran temperatur
dilakukan seperti gambar 4.1.
4.2.Hasil Pengelasan Gesek
Hasil proses pengelasan gesek pada bahan Aluminium Alloy 2024-T4 dan
Stainless Steel AISI 420 setelah dilakukan proses penyambungan gesek dapat
dilihat pada gambar 4.2.
Gambar 4.2.Hasil pengelasan gesek AA2024-T4 dan SS AISI 420
Terlihat pada gambar 4.2, hasil pengelasan gesek terdapat flash akibat proses
penyambungan. Flash terjadi pada logam Aluminium Alloy 2024-T4, sedangkan
pada logam Stainless Steel AISI 420 tidak terjadi flash. Pada logam stailess steel AISI 420 hanya terjadi perubahan warna akibat panas gesek. Hal ini terjadi karena
titik lebur Alumunium Alloy 2024-T4 lebih rendah dari pada Stainless Steel AISI
35
4.3 Profil Distribusi Temperatur
Gambar 4.3 Grafik profil distribusi temperatur pada logam Alumunium Alloy 2024-T4 dengan variasi (Pf 60 - Tf 7.5 - Pu 85 - Tu 60)
Pada variasi tekanan gesek (Pf) 60 Mpa untuk posisi T1 distribusi
temperaturnya naik menjadi 304.0882ºC ditempuh dalam waktu gesek (Tf) 7.5
detik, kemudian dengan tekanan tempa 85 Mpa temperaturnya berangsur-angsur
turun menjadi 29.6168ºC ditempuh dalam waktu tempa 60 detik. T1 adalah
temperatur pada titik atau posisi pertama yang berjarak dari interface 2mm, Untuk T2, T3, dan T4 temperatur pada titik atau posisi masing-masing berjarak 5mm,
diukur mulai dari posisi T1 ke T2 dan dilanjut pada titik atau posisi T2 ke T3 dan
seterusnya. Selanjutnya untuk posisi T2, T3, dan T4 dengan variasi yang sama
diperoleh hasil yaitu : T2 temperatur maksimal 81.2768 ºC, T3 temperatur
Gambar 4.4 Grafik profil distribusi temperatur pada logam Alumunium Alloy 2024-T4 dengan variasi (Pf 40 - Tf 5 - Pu 60 - Tu 55)
Pada variasi tekanan gesek (Pf) 40 Mpa untuk posisi T1 distribusi
temperaturnya naik menjadi 105.6149ºC ditempuh dalam waktu gesek (Tf) 5
detik, kemudian dengan tekanan tempa 60 Mpa temperaturnya berangsur-angsur
turun menjadi 30.5809ºC ditempuh dalam waktu tempa 60 detik. T1 adalah
temperatur pada titik atau posisi pertama yang berjarak dari interface 2mm. Untuk T2, T3, dan T4 temperatur pada titik atau posisi masing - masing berjarak 5mm,
diukur mulai dari posisi T1 ke T2 dan dilanjut pada titik atau posisi T2 ke T3 dan
seterusnya. Selanjutnya untuk posisi T2, T3, dan T4 dengan variasi yang sama
diperoleh hasil yaitu : T2 temperatur maksimal 57.9013 ºC, T3 temperatur
37
Gambar 4.5 Grafik profil distribusi temperatur pada logam Alumunium Alloy 2024-T4 dengan variasi (Pf 60 - Tf 5 - Pu 60 - Tu 60)
Pada variasi tekanan gesek (Pf) 60 Mpa untuk posisi T1 distribusi
temperaturnya naik menjadi 126.5686ºC ditempuh dalam waktu gesek (Tf) 5
detik, kemudian dengan tekanan tempa 60 Mpa temperaturnya berangsur-angsur
turun menjadi 31.582ºC ditempuh dalam waktu tempa 60 detik. T1 adalah
temperatur pada titik atau posisi pertama yang berjarak dari interface 2mm. Untuk T2, T3, dan T4 temperatur pada titik atau posisi masing - masing berjarak 5mm,
diukur mulai dari posisi T1 ke T2 dan dilanjut pada titik atau posisi T2 ke T3 dan
seterusnya. Selanjutnya untuk posisi T2, T3, dan T4 dengan variasi yang sama
diperoleh hasil yaitu : T2 temperatur maksimal 72.8988 ºC, T3 temperatur
4.4 Hasil Pengukuran Distribusi Temperatur.
Gambar4.6. Grafik distribusi temperatur maksimal pada logam Alumunium Alloy 2024-T4 berbagai variasi gaya tekan.
Pada setiap parameter terlihat distribusi temperatur berangsur-angsur turun
sesuai posisi terhadap interface logam yang bergesekan. Sehingga dapat disimpulkan pada parameter 60-7.5-85-60 adalah parameter terbaik untuk
mencapai temperatur maksimal karena distribusi temperaturnya meningkat drastis
dibandingkan dengan parameter 60-5-60-60 dan 40-5-60-60. Dari data pertama
suhu terbesar terjadi pada warna hijau, karena waktu gesek yang ditentukan lebih
lama sebesar 7.5 s dan tekanan tempa yang ditentukan paling besar 85 MPa.
Dilanjut dengan suhu terendah terjadi pada warna merah, karena tekanan gesek
yang ditentukan lebih rendah sebesar 40 MPa dan waktu gesek yang ditentukan
lebih singkat sebesar 5 s. Suhu tertinggi dicapai pada variasi60 – 7.5 – 85 – 60
yaitu 304.0882°C. Semakin tinggi nilai temperatur maka semakin dekat posisi
terhadap interface logam yang bergesekan. Begitupun sebaliknya, semakin rendah nilai temperatur maka semakin jauh posisi terhadap interface logam yang bergesekan.
Posisi (jarak antar lubang (mm))
39
Gambar 4.7. Grafik kecepatan pemanasan terhadap posisi
Untuk mencapai temperatur maksimal dibutuhkan waktu lebih lama ketika
spesimen digesek. Dari data pertama kecepatan tertinggi terjadi pada warna hijau,
karena waktu gesek yang ditentukan lebih lama sebesar 7.5 s dan tekanan tempa
yang ditentukan paling besar 85 MPa. Selanjutnya untuk kecepatan terendah
terjadi pada warna merah, karena tekanan gesek yang ditentukan lebih rendah
sebesar 40 MPa dan waktu gesek yang ditentukan lebih singkat sebesar 5 s.
Sehingga dapat disimpulkan waktu untuk mencapai kecepatan maksimal
tergantung pada jarak dari setiap posisi. Semakin dekat sensor panas terhadap
bidang gesek, maka semakin cepat waktu yang dibutuhkan untuk mencapai
temperatur maksimal. Semakin jauh sensor panas dengan bidang gesek, maka
semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur maksimal. Hal
ini terjadi akibat adanya rambatan panas dari bidang gesek terhadap posisi setiap
4.3.Hasil dan Analisis Pengujian Tarik
Pada pengujian tarik, spesimen dibuat sesuai standar JIS Z 2201 untuk dilas dengan pengelasan gesek. Hasil pengelasan gesek dapat menimbulkan flash pada specimen uji. Flash yang timbul dihilangkan dan dibentuk kembali sesuai standar pengujian tarik dengan cara pembubutan. Proses pembubutan flash menghasilkan diameter spesimen uji yang berbeda-beda. Hal ini disebabkan dari hasil
pengelasan gesek yang kurang linear. Spesimen uji dibuat rata dan lurus untuk
memperoleh hasil pengujian tarik yang akurat.
Tabel 4.1. Data hasil pengujian tarik pada sambungan bahan Alumunium Alloy 2024-T4 dengan Stainless Steel AISI 420. Luas penampang spesimen
(158 mm2) terlihat fluktuatif pada hasil tegangan tarik dan tegangan luluhnya. Dari hasil pengujian tarik yang dapat diamati dan terlihat hasilnya pada variasi tekanan
gesek 40 MPa dan 60 MPa; waktu gesek 5 detik dan 7.5 detik; tekanan tempa 60
