STUDY PENGARUH BENTUK KAMPUH TERHADAP
KEKERASAN PADA LASAN MIG BAJA KARBON RENDAH
PLAT KAPAL
Djoko Suprijanto
Staf Pengajar Juusan. Teknik Mesin STTNas Yogyakarta, Email: Pakde_Djoko@yahoo.com
INTISARI
STUDY PENGARUH BENTUK KAMPUH TERHADAP KEKERASAN PADA LASAN MIG BAJA KARBON RENDAH PLAT KAPAL. Pemakaian sambungan las listrik semakin meluas dalam konstruksi mesin. Dari beberapa macam las listrik, las MIG mempunyai beberapa keunggulan dibanding yang lain, salah satu keunggulan itu adalah efisiensi suhu las yang tinggi. Tetapi tingginya suhu akan menyebabkan perubahan kekerasan diaerah sekitar lasan sesuai dengan bentuk kampuhnya. Penelitian kekerasan sekitar lasan dilakukan terhadap beberapa spesimen kampuh pengelasan MIG dbawah tangan, ukuran 80x40x20 dengan metode kekerasan Vikers, untuk mengetahui pengaruh bentuk kampuh terhadap kekerasan.. Pembebanan yang dipakai 60 kg selama 10 detik. Kekerasan pada logam las makin meningkat seiring dengan makin tingginya laju pendinginan, yaitu terjadi pada kampuh yang tipis. Pada umumnya terjadi peningkatan kekerasan daerah las dibanding logam induk, kekerasan tertinggi terjadi pada bentuk kampuh las V ganda yaitu 195,6 kg/mm2 atau meningkat 48%dari logam induk 131,5 kg/mm2. Pada daerah HAZ terjadi peningkatan kekerasan yang menyolok untuk semua bentuk kampuh las, hal ini dipicu terjadinya pengkasaran butir kristal dan tambahan kadar karbon. Kekerasan maksimum daerah HAZ terjadi pada kampuh bentuk V ganda yaitu 203,9 kg/mm2 atau meningkat 55% dari logam induk. Peningkatan ini karena tipisnya kampuh sehingga laju pendinginan yang tinggi pada kampuh serta bertambahnya unsur C pada derah HAZ dari 0,064 % menjadi 0,113 % atau peningkatan kadar C sampai 108%. Struktur mikro daerah lasan didominasi ferit dengan beberapa bentuk yaitu bentuk ferit batas butir, ferit acicular dan ferit Widmanstaten, yang akan mempengaruhi sifat fisisnya. Makin besar ukuiran butir, makin keras sifat bahan.
Kata-kata kunci: Kampuh las, laju pendinginan, daerah HAZ, struktur mikro, kekerasan.
ABSRACT
STUDY JOINT FORM EFFECT OF MIG WELD IN WELD HARDNESS OF LOW CARBON STEEL SHIP PLATE. Electric welding joint are largerly used in machine construction. From several of electrics welding, MIG welding haves several good performance between the others. That is high eficiency of temperature welding. But high temperature will improved of surface hardness as the form of joint. Research of Metal Insert Gas welded hardness with several joint form to investigate effect of joint form to hardness. Sample dimension, 80x40x20 mm, used Vikers test methode with 60 kgs load in takes 10 seconds. Hardness of weld joints increased if fast cooling rate that occured of thin weld joint. Generraly, occured increase hardness in weld joint than raw material, and higest hardness reaced 195,6Kg/mm2 in double V joint or increase 48% than raw material hardness cost 131,5 kg/mm2. In HAZ zone occured extreem increased hardness in all joint form, that is speed up rougher of crystal and added Carbon content. Occured extreem increased of hardness in HAZ area in doble V joint until 203,9 kg/mm2 or increase 55% than raw material. This increase of hardness speed up by the thin joint , there occured fast cooling rate in V joint and increased of Carbon content in HAZ region from 0,064% to 0,133 % or increased becamel 108%. Micrro structure of welded are dominated with ferrite in several form, that consist boundary Ferite, acicular ferite and Widmanstaten ferrite, there afected to mechanical characteristics. Than , hardness material wil be great if grain greater.
Keywords: Form weld joint, cooling rate, HAZ zone, micro structure, hardness.
PENDAHULUAN
onstruksi sambungan las banyak sekali dipakai dalam banyak keperluan, baik yang
K
berbentuk konstruksi maupun bentuk benda lainnya. Plat kapal banyak dipakai pada pembuatan bejana yang bertekanan, banyak menggunakan sambungan las listrik.
Pengelasan dengan Las Gas Mulia atau
Metal Inert Gas (MIG) , memberikan hasil yang
lebih baik karena terlindungnya busur listrik dari oksidasi udara yang menyebabkan cacat-cacat lasan karena adanya terak yang sering terjadi dapat ditekan. Pada pengelasan MIG dengan arus dan kecepatan umpan tetap dengan beberapa bentuk kampuh las yang berbeda akan memberikan perbedaan kekerasan, dengan demikian menunjukkan perbedaan sifat fisis mekanis yang lain seperti ketangguhan, kekuatan tarik, sifat korosif dan sifat lainnya.
Penelitian pengaruh bentuk kampuh las MIG terhadap kekerasan baja plat kapal, diharapkan memberi konstribusi positip untuk memilih secara tepat pemakaiannya dilapangan.
LANDASAN TEORI
Las MIG (Metal Inert Gas Welded), merupakan las dengan perlindungan gas mulia, dimana nyala busur api listrik dilindungi dengan arus gas. Sebagai gas pelindung dipakai Argon, He atau CO2 dengan campuran antara 5 – 20 %.
Dengan tekanan sekitar 10 – 15 atmosfir. Selama pengelasan berlangsung elektroda logam diumpankan secara terus menerus yang akan mencair sebagai logam pengisi kampuh las. Penggunaan las MIG sangat menguntungkan karena keunggulan yang disebutkan oleh Wiryosumarto, 1985 diantaranya :
1. Konsentrasi busur listrik yang tinggi, busurnya sangat mantap dengan percikan sedikit sehingga memudahkan operasi pengelasan
2. Karena arus listrik tinggi maka kecepatan pengelasan tinggi dengan efisiensi yang baik (85-90 %).
3. Ketangguhan dan elastisitas, kekedapan udara serta ketidak pekaan terhadap retak lebih baik dari pengelasan yang lain.
Karena hal-hal tersebut di atas, maka las MIG banyak digunakan untuk mengelas baja kualitas tinggi yang banyak secara luas dipakai dilapangan.
Gambar 1. Busur nyala las MIG (Wioryo-sumarto, 1985).
Kawat las yang digunakan biasanya digunakan pada las MIG biasanya berdiameter antara 0,6 sampai 1,6 mm. Kecepatan penyaluran eletroda pada proses pengelasan, dapat diatur sesuai dengan tebalnya bahan yang dilas serta diameter elektroda yang dipakai. Mekanismenya seperti Gambar 2.
Gambar 2. Instalasi las MIG (Wiryosumarto, 1985).
Metalurgi Pengelasan Baja Karbon
Pada umumnya struktur mikro lasan dari baja tergantung dari kecepatan pendinginannya dari suhu daerah austenit sampai suhu kamar. Karena perubahan struktur ini maka dengan sendirinya sifat-sifat mekanik yang dimiliki juga berubah. Hubungan antara kecepatan pendinginan dan struktur mikro yang berbentuk dapat digambarkan dalam diagram yang menghubungkan waktu dan transformasi “Continous Cooling Transformation” (CCT). Contoh dari diagram ini untuk baja ASTM 4340 ditunjukkan dalam Gambar 3. Dari gambar dapat dilihat bahwa bila laju pendinginan naik yang berarti waktu pendinginan dari suhu austenit turun, struktur akhir yang terjadi berubah dari campuran ferit-perlit ke campuran ferit-perlit-martensit, ferit-ferit-perlit-martensit, kemudian bainit-martensit dan akhirnya pada laju pendinginan yang tinggi maka terjadi struktur akhir martensit. Kekuatan dan kekerasan baja sangat tergantung pada ukuran butir dan bentuk kristal yang tersusun pada saat pembekuan.
Gambar 3. Diagram Pendinginan Kontinu atau Diagram CCT (Kou, 1987).
Pada pengelasan baja perubahan struktur mikro daerah sekitar lasan akan merubah sifat-sifat fisis mekanisnya. Perubahan suhu selama proses pendinginan logam las dan logam sekitarnya berlangsung secara kontinyu tanpa adanya pengejutan/quenching. Perubahan fasa saat pendinginan dari suhu cair sampai suhu kamar tergantung dari laju pendinginannya (cooling
rate). Dari diagram Continous Cooling
Tranformation (CCT), . bentuk-bentuk yang
mungkin dapat terjadi pada logam lasan setelah pendinginan adalah :
1. Ferit proeutektoid atau ferit batas butir (Grain
Boundary Ferite), terbentuk antara suhu 1000o
C – 650o C, dengan laju pendinginan rendah.
2. Ferit Widmanstatten (Widmanstatten Side
Plate), struktur yang berbentuk plat-plat sejajar
dengan lapisan karbida diantara plat-plat tersebut. Struktur ini terbentuk antar suhu 750oC – 650o C, dengan laju pendinginan
sedang.
3. Ferit Acicular (Acciculair Ferite), Struktur berbentuk plat-plat kecil saling menyilang seolah-olah membentuk anyaman. Struktur ini terbentuk pada suhu dibawah 650o C, dengan
laju pendinginan sedang.
4. Bainit, pembentukannya karena laju pendinginan yang lebih tinggi dibanding Windmanstaten, atom-atom karbon sulit berdifusi sehingga terjadi agregrat ferit dengan butir-butir karbida
5. Martensit, terjadi jika lasan didinginkan secara sangat cepat/kejut.Terjadi jika cukup mengan-dung unsur C. Pada baja karbon rendah martensit jarang terjadi.
TATA KERJA PENELITIAN
Pelaksanaan penelitian dilakukan dengan cara membuat beberapa sample (cuplikan) baja karbon plat kapal dengan ukuran 80x40x20 mm, kemudian dibuat kampuh V, double V, U, dan
double U, seperti Gambar 4. Setelah dilakukan
pengelasan dibuat spesimen untuk uji komposisi dan kekerasan. Proses pengelasan dilakukan dengan las MIG dengan ketentuan :
a. Tegangan yang digunakan sebesar 400 Volt, Arus 200 Amper, laju umpan elektroda 10 mm/detik, kecepatan pengelasan standart, kandungan gas CO2 15% tekanan 15 atmosfer.
b. Pengelasan dibawah tangan dengan pendinginan di udara terbuka.
c. Banyaknya lapis pengelasan 3 – 5 lapis. Bentuk kampuh yang dibuat seperti Gambar 4.
Pengujian yang dilakukan :
2. Uji struktur mikro semua spesimen lasan, daerah HAZ, dan logam induk.
3. Uji kekerasan untuk semua spesimen lasan dan logam induk dengan jarak antar 2,5 mm berturut-turut dari pusat las.
Gambar 4. Bentuk kampuh.
Pengujian komposisi kimia
Pengujian komopsisi kimia yang menyusun logam induk, logam las dan logam daerah HAZ, untuk mengetahui jenis unsur yang meyusun matreial tersebut. Dari kandungan unsur kimianya dapat diperkirakan sifat materialnya. Pelaksanaan peng-ujian dengan menempatkan spesimen uji dibawah specktrocope, kemudian dengan proses pencairan matreial, akan terurai jenis unsurnya secara digital dalam prosen berat yang dapat diamati pada monitor.
Pengujian Metalografi (Struktur Mikro)
Pengujian struktur mikro dilakukan dengan mikroskop optik. Dalam penelitian ini yang akan diamati adalah,bentuk dan besar butir yang terjadi pada daerah HAZ, daerah batas las dan daerah logam induk setelah mengalami proses pengelasan. Sehingga dari struktur mikro yang diperoleh, kita dapat mengetahui sifat-sifat bahan secara umum benda uji dapat diamati struktur mikronya. Etsa yang digunakan adalah HNO3 (5%) dan air (95%).
Perbesaran foto yang dilakukan setelah dietsa adalah 500 kali.
Pengujian Kekerasan
Ket : Jarak antara titik 2.5 mm
Gambar 5. Titik uji kekerasan.
Pengujian kekerasan dengan metode Vikers dengan pembebanan 60 kg selama 10 detik. Dengan mengukur diagonal bekas injakan penetrator dapat ditentukan nilai kekerasan titik uji daerah logam las dan sekitarnya seperti Gambar 5.
HASIL PENELITIAN DAN
PEMBA-HASAN
Hasil Uji Komposisi Kimia
Dari hasil pengujian dengan Spektroskop diperoleh data seperti pada Tabel 1.
Dari hasil analisa komposisi kimia terlihat bahwa logam induk (raw material) adalah jenis baja karbon rendah feritis. Adanya tambahan sedikit Mn menyebabkan bahan bersifat agak kenyal atau ulet dengan kekekerasan rendah. Sedikitnya unsur tambahan, tidak banyak mempengaruhi sifat bahan. Dari komposisi yang dikandung bahan logam induk termasuk mendekati Baja AISI 1006.
Komposisi logam las hampir sama dengan logam induk dengan kandungan karbon yang mendekati serta kandungan Mn agak tinggi maka termasuk bahan agak kenyal. Pada daerah HAZ terlihat peningkatan unsur C dibanding logam induk. Karena adanya tambahan unsur C dari
logam las ini, maka daerah HAZ mempunyai kekerasan yang lebih tinggi dari daerah sekitarnya. Adanya sedikit perubahan konsentrasi unsur lainnya karena ada yang ikut terbakar ataupun koreksi kesalahan pengukurannya.
Tabel 1. Komposisi kimia matrerial. Unsur
(% berat)
Logam induk
(raw material) Logam lasan Daerah HAZ
Fe 98,85 98,24 98,96 C 0,064 0,058 0,133 Si 0,059 0,163 0,083 Mn 0,349 1,08 0,343 P 0,026 0,013 0,017 S 0,000 0,000 0,000 Cr 0,044 0,062 0,040 Mo 0,000 0,000 0,000 Ni 0,005 0,001 0,009 Al 0,000 0,000 0,000 B 0,000 0,000 0,000 Co 0,024 0,016 0,024 Cu 0,075 0,079 0,071 Nb 0,000 0,000 0,000 Pb 0,000 0,000 0,000 Sn 0,014 0,000 0,008 Ti 0,023 0,022 0,020 V 0,104 0,023 0,020 W 0,054 0,076 0,067
Hasil Pengujian Stuktur Mikro
Gambar 6. Daerah logam induk (raw material) Etsa HNO3 5% + Air.
Keterangan : P = Pearlite
GBF = Grain boundary feferrite F = Ferite
WF = widmastatten ferrite PC = Pearlite Cementite AF = Acicular ferrite B = Bainit
Hasil pengujian Struktur mikro Logam daerah HAZ :
Gambar 7. Struktur mikro daerah HAZ kam-puh V tunggal etsa HNO3 5%.
Gambar 8. Struktur mikro derah HAZ kam-puh V ganda etsa HNO3 5%.
Gambar 9. Struktur mikro daerah HAZ kam-puh U tunggal Etsa HNO3 5%.
Ghambar 10. Struktur mikro dareah HAZ kampuh U ganda Etsa HNO3
5%.
Gambar 11. Struktur mikro logam las kam-puh V tunggal Etsa HNO3 5%.
Gambar 12. Struktur mikro logam las kam-puh V ganda Etsa HNO3 5%.
Gambar 13. Struktur mikro logam las kam-puh U tunggal Etsa HNO3 5%.
Gambar 14. Struktur mikro logam las kam-puh U ganda Etsa HNO3 5%.
Dari Gambar 6 terlihat bahwa logam induk terdiri dari ferit dan perlit mdengan komposisi butir merata, sedang pada daerah HAZ (Gambar 7, 8, 9 dan 10) umumnya berupa bainit sehingga kekerasannya lebih tinggi dari logam las. Terlihat adanya butir-butir ferit kasar, perlit dan grafit.Ukuran besarnya butir kristal menunjukkan tingkat kekerasannya. Kekasaran butir kristal menunjukkan bahwa kekerasan bahan meningkat dibanding dengan logam induk. Ini ditunjukkan dari Gambar 9 dan Gambar 10.
Pada daerah logam las terlihat jelas unsur– unsur terjadi saat pembekuan logam. Makin kasar butir ferit makin keras sifat bahan. Ferit Widmanstaten besar dan ferit acicular mendominasi lasan kampuh V ganda dan kampuh U ganda (Gambar 12 dan Gambar 14). Disini kekerasan bahan relatip tinggi dibanding kampuh yang lain dimana bahan didominasi ferit batas butir dan Widmanstaten pada kampuh V tunggal dan U tunggal (Gambar 11 dan Gambar 13).
Hasil Uji Kekerasan Bahan
Pada pengujian kekerasan bahan logam induk didapatkan harga kekerasan rata-rata Vikers: HVN = 131,5 Kg/mm2.
Dari hasil penelitian kekerasan logam sekitar lasan dapat dilukiskan dalam grafik seperti Gambar 15, 16, 17 dan 18.
Perbandingan kekerasan beberapa bentuk kampuh dapat dilihat pada Gambar 19 dan 20.
Gambar 16. Grafik kekerasan Vikers lasan kampuh V Ganda.
Gambar 17. Grafik kekerasan Vikers lasan kampuh U tunggal.
Histogram Kekerasan Daerah Las 195.8 184.5 181 187.5 100 120 140 160 180 200 220 Kampuh V Tunggal Kampuh V Ganda Kampuh U Tunggal Kampuh U Ganda
Jenis Kam puh
K e k e ra s an V ik e rs ( k g /m m 2)
Gambar 19. Perbandingan kekerasan daerah las.
Histogram Ke kerasan Daerah HAZ
199.7 188.2 203.9 191.9 100 120 140 160 180 200 220 Kampuh V Tunggal Kampuh V Ganda Kampuh U Tunggal Kampuh U Ganda
Jenis Kam puh
K e k e ra s an V ik e rs ( k g /m m 2)
Gambar 20. Perbandingan kekerasan daerah HAZ.
Dari grafik kekerasan daerah las dan daerah HAZ terlihat bahwa pada umumnya kekerasan logam HAZ lebih tinggi dari logam induk dan logam las karena adanya panas masuk yang diikuti laju pendinginan yang cepat. Makin luasnya bidang geometri kampuh saat pendinginan mempengaruhi laju pendinginan (lihat kampuh V ganda dan kampuh U ganda Gambar 19) demikian pula daerah HAZ, kekerasan tertinggi juga terjadi pada kampuh V ganda sehingga terlihat makin luas bidang kampuh las makin cepat laju pendinginan dan makin tinggi pula kekerasan bahan. Disamping itu didepan telah disebutkan bahwa dengan adanya tambahan unsur C pada daerah HAZ akan menambah kekerasan bahan secara menyolok
dibanding logam las. Pada daerah ini kristalnya tumbuh dengan cepat dan membentuk butir-butir kasar didaerah HAZ besar butir dan struktur berubah sesuai dengan siklus thermal yang terjadi pada pengelasan, pada daerah transisi cair padat dimana butir-butirnya sangat kasar logam menjadi sangat keras dan getas dan disebut penggetasan batas las. ( Wiryosumarto, 1985)
KESIMPULAN DAN SARAN
1. Hasil pengujian komposisi kimia menunjukkan bahwa unsur karbon pada daerah logam induk sebesar 0,064 %, daerah HAZ sebesar 0,133 %,
dan daerah logam las sebesar 0,058 %. Jadi dari ketiga daerah tersebut yang mempunyai kadar karbon yang tertinggi terdapat pada daerah HAZ.
2. Hasil pengujian kekerasan menunjukkan bahwa pada daerah las kekerasan tertinggi terjadi pada spesimen dengan bentuk kampuh V ganda dengan kekerasan 195,8 kg/mm2, pada daerah
HAZ kekerasan tertinggi terjadi pada spesimen dengan bentuk kampuh V ganda dengan kekerasan 203,9 kg/mm2.
3. Kekerasan daerah las lebih tinggi dibanding logam induk , makin tinggi pada daerah HAZ dan berangsur-sngsur turun menuju logam induk.
4. Struktur mikro yang terbentuk pada daerah logam las adalah ferit batas butir, ferit Widmastatten, ferit acicular, semakin besar ukuran butir, bahan semakin keras.
SARAN
1. Penelitian dapat dikembangkan untuk sifat fisis yang lain seperti ketahanan impak, laju retak, kekelahan. Disamping dapat dilakukan terhadap variasi tebal plat, variasi arus input, dan dimensi yang lain.
2. Penelitian dapat dikembangkan dengan metode pengelasan yang berbeda, dengan bahan yang berbeda pula.
DAFTAR ACUAN
ASM, Metal Handbook, 1992, Volume 7 Atlas of
Microstructur of Industrial Alloy, 8 th
edition, ASTM Handbook Commite.
Anver, H, 1974, Indtroduction to Physical
Metallurgi, Mc Graw-Hill Book Company,
Singapore.
Didik Suryana, Djaindar Sidabutar, 1978, Petunjuk
Praktek Las Asetilin dan Las Listrik 1.
Depdikbud, Jakarta.
Gitting, D., Kenyon, W., Dasar-Dasar Pengelasan, Erlangga Jakarta.
Gourd, L, M, 1980, Principles of Welding
Technology, Edward, Arnold, Publishers,
London.
Kou, S, 1987, Welding Metallurgy, A Welly, Intercience Publication, Singapore.
Schell, F,R, Welding Procedures Electric Arc, Delmar Publishers, New York.
Surdia, T., Shinroku, S., 1987, Pengetahuan Bahan
Teknik, PT. Pradya Paramita, Jakarta.
Vlack, V., 1981, Ilmu Teknologi Bahan, terj. Sriati Djapri, Edisi Keempat, Erlangga, Jakarta. Wachid Suherman, 1988, Ilmu Logam II, Diktat
kuliah Jurusan Teknik Industri , Institut Teknologi Surabaya.
Wiryosumarto, H., Okumura, T., 1985, Teknologi
Pengelasan Logam, PT. Pradya Paramita,
Jakarta.
TANYA JAWAB
Tumpal P. Pada daerah HAZ, unsure C meningkat kenapa? Apakah ini imbas mempercepat korosi?
Bagaimana cara mengatasinya agar hasilnya lebih baik?
Djoko Suprijanto
Tambahan unsur C dari gas CO2 dan atom C
jangan menerobos di daerah las. Sumber korosi karena adanya tegangan yang tidak sama (tegangan sisa) pada bahan.
Dilakukan pemanasan untuk menghilangkan
residual stress dengan proses normalizing.
Suprapto
Mohon dijelaskan tambahan unsur C pada daerah HAZ sehingga menyebabkan kenaikan kekerasan.
Apakah kenaikan kekerasan hanya karena tambahan unsur C tersebut.
Dalam aplikasi pengelasan, sifat mekanis yang penting adalah kekuatan tarik dan ketahanan beban kejut. Bagaimana kaitannya kekerasan dengan aplikasi pengelasan.
Djoko Suprijanto
Tambahnya unsur C berasal dari hembusan CO2
gas pelindung disamping juga adanya unsur C yang menerobos masuk dari frizing zone.
Kenaikan kekerasan disamping adanya
tambahan C juga diakibatkan karena laju pendinginan yang tinggi dibanding daerah lain. Pengkasaran butir juga berpengaruh terhadap kekerasan (Wirjo Sumarto, 1987).
Makin keras bahan makin rendah kekuatan
tariknya juga makin rendah ketangguhan impaknya. Untuk mengurangi efek tersebut dilakukan proses laku panas (anil).
