STUDI PENGARUH VARIASI KECEPATAN ROTASI DAN KECEPATAN PENGELASAN TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIR WELDING DENGAN PEMODELAN CFD TIGA DIMENSI

(1)

STUDI PENGARUH VARIASI KECEPATAN ROTASI DAN KECEPATAN PENGELASAN TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIR WELDING DENGAN

PEMODELAN CFD TIGA DIMENSI

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

FADILLAH ARDHI SIAGIAN NIM I0411017

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

(2)

(3)

(4)

iv

STUDI PENGARUH VARIASI KECEPATAN ROTASI DAN KECEPATAN PENGELASAN TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION

STIR WELDING DENGAN PEMODELAN CFD TIGA DIMENSI

Fadillah Ardhi S

Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta, Indonesia

f.ardhi.77@gmail.com

Abstrak

Paramater dalam Friction Stir Welding seperti kecepatan rotasi dan kecepatan pengelasan dapat berpengaruh terhadap kualitas pengelasan. Temperatur maksimum yang dapat dihasilkan dari proses FSW bernilai 80% dari temperatur titik leleh material benda kerja. Pemodelan simulasi FSW dengan menggunakan ANSYS CFX dipilih untuk mempermudah dan menekan biaya penelitian. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh kecepatan rotasi dan kecepatan pengelasan terhadap distribusi temperatur dan viskositas pada material AA2024 saat proses FSW. Temperatur tertinggi pada sisi advance untuk semua variasi. Nilai distribusi temperatur tertinggi terjadi dan viskositas terendah terjadi pada kecepatan rotasi 1600 rpm dan kecepatan pengelasan 35 mm/min. Distribusi temperatur akan meningkat dengan meningkatnya kecepatan rotasi dan distribusi temperatur akan menurun dengan meningkatnya kecepatan pengelasan.

(5)

v

STUDY OF EFFECT ROTATIONAL SPEED AND WELDING SPEED ON TEMPERARURE DISTRIBUTION IN FRICTION STIR WELDING WITH A

THREE-DIMENSION CFD MODELING

Fadillah Ardhi S

Mechanical Engineering Department, the Faculty of Engineering, Sebelas Maret University, Surakarta, Indonesia

f.ardhi.77@gmail.com

Abstract

Parameters in the Friction Stir Welding such as the rotational speed and welding speed can affect the quality of weld. The maximum temperature which can be generated from the FSW process is 80% of the melting point temperature of the work piece material. FSW modeling with ANSYS CFX had been chosen to simplify and reduce cost of research. This study was purposed to determine the effect of rotational speed and welding speed concerning the temperature distribution and viscosity in the process of FSW AA2024. The highest temperature was in the advance side for all variations. The highest temperature distribution and lowest viscosity occurred at rotational speeds of 1600 rpm and transverse speed of 35 mm/min. The temperature distribution will be increased with increasing rotational speed and the temperature distribution will be decreased with increasing the welding speed.

(6)

vi

KATA PENGANTAR

Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih lagi Maha Pemurah. Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah Yang Maha Besar, karena berkat limpahan rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyusun dan menyelesaikan laporan Skripsi ini dengan baik.

Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta

Dalam penyelesaian Skripsi ini tidak mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada:

1. Allah SWT yang telah memberikan kuasa, rahmat,berkah dan hidayah-Nya.

2. Ayah, Ibu dan adik penulis yang selalu mencurahkan segala doa, daya dan kemampuannya untuk penulis sehingga penulis mampu menjadi sperti sekarang ini.

3. Bapak Dominicus Danardono selaku Dosen Pembimbing I yang selalu

memberikan dukungan yang begitu banyak dan memberikan solusi ketika penulis mendapatkan kesulitan.

4. Bapak Nurul Muhayat selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan

saran,solusi dan bersedia membantu dalam penyusunan laporan ini.

5. Bapak Bambang Kusharjanta selaku dosen Teknik Mesin yang telah

memberikan arahan dan ilmu tentang Friction Stir Welding.

6. Bapak Budi Kristanto, Bapak Ubaidillah dan Bapak Sukmaji selaku dewan

(7)

vii

7. Semua keluarga di Surakarta telah memberikan doa dan dorongan semangat

baik moral maupun materil kepada penulis selama pengerjaan Skripsi ini.

8. Saudara Oky Prasetya Teknik Mesin 2012 yang telah membantu dan sebagai

rekan seperjuangan dalam pengerjaan Skripsi ini.

9. Seluruh rekan Teknik Mesin khususnya angkatan 2011 yang telah memberi semangat untuk menyelesaikan Skripsi ini.

10.Rekan Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin (KMTM) yang telah memberikan

kemampuan soft skill berorganisasi.

11.Seluruh pihak yang secara langsung maupun tidak langsung yang telah memberikan bantuan dan dukungannya dalam pembuatan laporan ini yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan laporan ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran serta kritik yang dapat membangun laporan ini agar menjadi lebih baik.

Akhir kata semoga laporan ini dapat memberikan manfaat dan berguna bagi kita semua. Amin.

Surakarta, 10 Mei 2017

(8)

viii DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PENUGASAN ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

ABSTRAK ... iv

ABSTRACT ... v

KATA PENGANTAR ... vi

DAFTAR ISI ... viii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ... xiv

DAFTAR NOTASI ... xv

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang Masalah ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 2

1.3. Batasan Masalah ... 2

1.4. Tujuan Penelitian ... 3

1.5. Manfaat Penelitian ... 3

1.6. Sistematika Penulisan ... 3

BAB II LANDASAN TEORI ... 5

2.1. Tinjauan Pustaka ... 5

2.2. Dasar Teori ... 14

BAB II METODOLOGI PENELITIAN ... 22

3.1. Lokasi Penelitian ... 22

3.2. Alat Penelitian ... 22

3.3. Meotodologi Penelitian ... 22

3.1.1 Parameter Pemodelan FSW ... 22

3.1.2 Geometri Workpiece ... 22

3.1.3 Geometri Tool ... 23

3.1.4 Meshing ... 24

(9)

ix

3.1.6 Metode Pengambilan Data ... 26

3.4. Validasi Data ... 28

3.5. Diagram Alir Penelitian ... 31

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 32

4.1. Data Hasil Pemodelan FSW ... 32

4.1.1 Data Variasi 1 ... 32

4.1.10 Data Variasi 10 ... 49

4.2. Pembahasan Variasi Kecepatan Rotasi ... 51

4.3. Pembahasan Variasi Kecepatan Pengelasan ... 57

4.4. Pembahasan Distribusi Temperatur ... 63

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 72

DAFTAR PUSTAKA ... 73

(10)

x

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Profil temperature variasi kecepatan rotasi dengan kecepatan

pengelasan 2mm/s ... 6

Gambar 2.2. Profil tegangan plastis variasi kecepatan rotasi dengan kecepatan pengelasan 2mm/s ... 7

Gambar 2.3. Profil temperature variasi kecepatan pengelasan dengan kecepatan rotasi 400rpm ... 8

Gambar 2.4. Profil tegangan plastis variasi kecepatan pengelasan dengan kecepatan rotasi 400rpm ... 9

Gambar 2.5. Distribusi temperatur pada sisi Advance dan Retreat ... 10

Gambar 2.6. Profil viskositas variasi kecepatan rotasi dengan kecepatan pengelasan tool 20 mm/min ... 11

Gambar 2.7. Profil viskositas variasi kecepatan pengelasan dengan kecepatan rotasi tool 1050 rpm ... 12

Gambar 2.8. Grafik ukuran grain size pada nugget zone ... 13

Gambar 2.9. Kontur temperatur pada workpiece saat proses FSW ... 13

Gambar 2.10. Skema diagram dan terminologi proses FSW ... 15

Gambar 2.11. Prinsip utama proses FSW... 16

Gambar 2.12. Distribusi pergerseran pada fluida newtonian ... 17

Gambar 2.13. (a) shear stress, (b) apparent viscosity sebagai fungsi dari tingkat deformasi untuk aliran 1 dimensi ... 18

Gambar 2.14. Skema distribusi temperatur pada proses FSW ... 20

Gambar 2.15. Skema perpindahan panas ... 20

Gambar 3.1. Geometri benda kerja AA2024 ... 23

Gambar 3.2. Geometri tool (a) model silinder, (b) model tirus ... 24

Gambar 3.3. Pemodelan meshing FSW ... 25

Gambar 3.4. Skala kualitas mesh berdasarkan skewness ... 25

Gambar 3.5. Domain pemodelan FSW AA2024 dengan ANSYS CFX ... 26

Gambar 3.6. Titik pengambilan data distribusi temperatur ... 27

Gambar 3.7. Geometri plat aluminium alloy 2024, (b) Geometri tool ... 28

Gambar 3.8. Kondisi batas pada Ansys CFX ... 29

(11)

xi

Gambar 3.10. Diagram alir penelitian ... 31

Gambar 4.1. Grafik distribusi temperatur variasi 1 ... 32

Gambar 4.2. Kontur distribusi temperatur variasi 1 ... 32

Gambar 4.3. Kontur viskositas variasi 1 ... 33

(12)

xii

Gambar 4.31. Grafik distribusi temperatur pin silinder dengan variasi kecepatan

rotasi posisi (a)awal, (b)tengah, (c)akhir ... 53

Gambar 4.32. Grafik distribusi temperatur pin tirus dengan variasi kecepatan rotasi posisi (a) awal, (b) tengah, (c) akhir ... 54

Gambar 4.33. Grafik kontur temperatur pin silider dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi tengah... 55

Gambar 4.34. Grafik kontur temperatur pin tirus dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi tengah ... 55

Gambar 4.35. Kontur viskositas variasi kecapatan rotasi pada pin silinder ... 56

Gambar 4.36. Kontur viskositas variasi kecapatan rotasi pada pin tirus ... 56

Gambar 4.37. Grafik distribusi temperatur pin silinder pada variasi kecepatan pengelasan posisi (a) awal, (b) tengah, (c) akhir ... 58

Gambar 4.38. Grafik distribusi temperatur pin tirus pada variasi kecepatan pengelasan posisi (a) awal, (b) tengah, (c) akhir ... 60

Gambar 4.39. Grafik kontur temperatur pin silider pada variasi kecepatan pengelasan pada posisi tengah ... 60

Gambar 4.40. Grafik kontur temperatur pin tirus pada variasi kecepatan pengelasan pada posisi tengah ... 61

Gambar 4.41. Kontur viskositas pin silinder variasi kecapatan pengelasan ... 62

Gambar 4.42. Kontur viskositas pin tirus variasi kecapatan pengelasan ... 62

Gambar 4.43. Grafik distribusi temperatur variasi 1 dan 6 posisi tengah ... 63

Gambar 4.47. Grafik distribusi temperatur variasi 5 dan 10 Posisi tengah ... 65

Gambar 4.48. Perbandingan temperatur advance dan retreat variasi 1 ... 66

(13)

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Material properties AA2024 ... 23 Tabel 3.2. Material properties HCS AISI1040 ... 23 Tabel 3.3. Urutan pengambilan data ... 27

(14)

xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Tabel distribusi temperatur variasi 1 ... 76

(15)

xv

DAFTAR NOTASI

A = Konstanta (s-1₎

Cp = Kapasitas panas (J/kg K)

k = Konduktivitas termal (W/mK)

h = Koefisien konveksi (W/m2_K)

m = Massa ( kg)

k = Indek konsistensi

n = Indek kelakuan aliran

q = Perpindahan panas konveksi (W/m2₎

Q = Energi panas (J)

R = Konstanta gas (J/mol K)

T = Temperatur (K)

Ta = Temperatur sekitar (K)

Tm = Temperatur leleh material (K)

u,v,w = Vektor kecepatan arah x, y, z (m/s)

Z = Parameter Zener-Hollomon (s-1₎

σ = Flow stress (Mpa)

ε = Strain rate (s-1₎

τ = tegangan geser (Pa)

μ = Viskositas Newtonian (Pa s)