UJI METALOGRAFI HASIL LAS ZIRKALOI-2 DENGAN
ALAT MAGNETIC FORCE WELDING
Maradu Sibarani
PTBN – Batan
ABSTRAK
UJI METALOGRAFI HASIL LAS ZIRKALOI-2 DENGAN ALAT MAGNETIC FORCE WELDING. Telah dilakukan pengelasan kelongsong zirkaloi-2 dengan menggunakan alat Magnetic Force Welding (MFW) untuk elemen bakar tipe Cirene-HWR dengan parameter las seperti yang telah ditetapkan dan dengan pengujian secara visual terlihat bahwa hasil las telah baik. Untuk memeriksa hasil las lebih rinci maka dilakukan uji metalografi terhadap hasil las untuk melihat sejauh mana kualitas sambungan hasil las. Pada penelitian ini telah dilakukan pengelasan pada kelongsong dan tutup pin elemen bakar tipe Cirene-HWR dengan memberi variasi arus las, sementara parameter yang lain dibuat konstan. Dari hubungan arus las terhadap hasil las yang diperiksa secara visual mempunyai hasil terbaik pada arus sebesar 75 %. Dari hasil uji metalografi terlihat jelas tanda batas sambungan las dan terdapat bagian yang retak pada bagian las sepanjang 0,337 mm dari sudut bagian dalam las, yang berarti sambungan las belum sempurna.
Kata Kunci: Kelongsong zirkaloi-2, Magnetic Force Welding, Metalografi
ABSTRACT
METALLOGRAPHY TEST ON ZIRCALOY-2 SHEATH PRODUCT BY MAGNETIC FORCE WELDING. Magnetic force welding techniques have been used to produce a zircaloy-2 sheath of a nuclear fuel element for a cirene (heavy water) reactor. Visual inspections cannot give a full detailed damage analysis, therefore a metallography test is needed for quality assurance of the zircaloy-2 sheath product. The test was conducted on sheaths welded with variations of current. Visual inspections show that sheath welded at the current level of 75 % has the best quality. However metallographic inspections show that there is a 0.337 mm crack in the sheath which means that the welding still has some defect.
Free Terms: zircaloy-2 sheath, magnetic force welding, metallography.
PENDAHULUAN
TBN melalui Bidang Bahan Bakar Nuklir terus melakukan kualifikasi dalam proses perakitan elemen bakar baik dalam sumber daya manusia maupun proses yang menyangkut peralatan yang digunakan. Perakitan pin elemen bakar nuklir dilakukan dengan mengisi pelet bahan bakar ke dalam kelongsong yang salah satu ujungnya telah dilas dengan tutup pertama dan dilanjutkan dengan pengelasan tutup ujung yang kedua. Hasil las ini harus benar-benar baik untuk menjaga kebocoran produksi fisi dan mampu menahan gaya-gaya mekanik yang terjadi terhadap pin saat digunakan di teras reaktor. Proses pengelasan tutup dan kelongsong akan mengakibatkan perubahan struktur mikro pada daerah las, yang terdiri dari daerah las (weld zone), daerah terpengaruh panas (heat affected zone = HAZ), dan daerah yang tidak terpengaruh panas (based metal). Pada daerah yang terpengaruh panas, dalam proses pengelasan terjadi rekristalisasi yang mengakibatkan perubahan pada mikro
strukturnya sekaligus akan merubah sifat-sifat mekanik.
Dari sisi kekuatan konstruksi elemen bakar maka pengelasan menjadi daerah paling mengkawatirkan, sehingga dari proses perakitan hasil las menjadi hal penting untuk diperhatikan.
Sesuai dengan dimensi dan sifat mekanik dari zirkaloi-2 di atas maka dalam proses sam-bungan pengelasan digunakan pengelasan dengan
Magnetic Force Welding (MFW) yang dilas pada
ruang las yang dikondisikan dalam ruang pre-vakum serta dengan gas pelindung helium. Untuk men-dapatkan hasil pengelasan yang baik maka dilaku-kan penelitian “Uji Metalografi Hasil Las Zirkaloi-2 dengan MFW (Magnetic Force Welding)”, sehingga penelitian ini dapat merekomendasikan bentuk dan ukuran bagian yang dilas serta parameter arus yang terbaik yang digunakan dalam proses pengelasan ditinjau dari uji metalografi pada daerah las.
Proses Pengelasan Dengan MFW
Jenis pengelasan yang digunakan adalah mesin las Magnetic Force Welding (MFW) yaitu proses pengelasan dengan mengkombinasikan gaya magnet dengan energi listrik akibat arus dan voltase yang diberikan. Pada mesin ini, arus las dapat diatur besar dan bentuknya dengan mengeset besarnya arus listrik dan arus magnet pada panel pengontrol, sesuai parameter yang dikehendaki. Alat ini menggunakan sistim silinder udara untuk meng-gerakkan langkah elektroda. Kombinasi gaya listrik dan gaya magnet yang direkomendasikan adalah 1/3 gaya listrik dan 2/3 gaya elektromagnet yang timbul secara koaksial. Gaya tahan clamp yaitu gaya pemegang kelongsong dan tutup saat terjadi penekanan juga parameter yang menentukan terhadap hasil las. Pemberian panas yang berlebih sewaktu pengelasan akan mengakibatkan terjadinya cacat (defect) seperti cacat kawah (creater) dan daerah pengaruh panas yang luas sehingga menimbulkan tegangan sisa thermal. Cacat tersebut akan mengurangi ketahanan/kekuatan hasil las.
Metalurgi Las
Aspek metalurgi adalah meliputi siklus termal dan pengaruhnya terhadap perubahan struk-tur mikro serta faktor-faktor yang mempengaruhi sifat mampu las (weldability) dari logam yang disambung[3]. Kualitas sambungan las biasanya dikaitkan dengan kekuatan, ketangguhan atau sifat mekanis lainnya, maka perlu dibahas hubungan antara struktur mikro dengan sifat-sifat terhadap tekanan dan kekerasan dari sambungan las. Siklus termal akan dapat menimbulkan perubahan-perubahan metalurgi yang rumit, deformasi dan tegangan-tegangan termal ataupun cacat pada logam las. Perubahan yang paling penting dalam pengelasan adalah perubahan struktur-mikro yang akan menentukan sifat-sifat mekanis sambungan las. Pada umumnya struktur mikro yang terjadi tergantung pada komposisi kimia dari logam induk, kondisi logam induk seperti geometri atau proses pengerjaan sebelumnya, teknik pengelasan yang diterapkan, serta perlakuan panas yang diberikan.
Tingkat perubahan mikro struktur yang terjadi disamping dipengaruhi oleh faktor-faktor dari material yang dilas juga tergantung pada temperatur maksimum yang dicapai ketika pengelasan, waktu/lamanya temperatur itu terjadi dan kecepatan pendinginan. Faktor utama yang mengontrol perubahan struktur tersebut adalah besarnya masukan panas (heat input) yang diberikan kepada sambungan logam (termasuk kalau ada pemanasan mula). Kecepatan pendinginan mempengaruhi sifat-sifat mekanis sesuai dengan
jenis fasa dan butiran logam yang terbentuk. Pendinginan yang cepat menghasilkan struktur yang kuat, keras dan kurang ulet. Pendinginan yang lambat menghasilkan sifat-sifat sebaliknya.
Menahan logam pada temperatur tinggi (diatas temperatur kritis) untuk waktu yang lama dapat menghasilkan struktur dengan butiran yang kasar, namun demikian selama pengelasan ber-langsung ada bagian logam yang letaknya bersebelahan dengan las berada pada temparatur tinggi untuk waktu yang sangat singkat.
Pada proses pengelasan masukan panas yang dapat diberikan tergantung pada kerapatan energi
(energy density) dari teknik pengelasan tersebut.
Semakin besar kerapatan energinya maka semakin rendah masukan panas yang diberikan untuk suatu proses pengelasan. Jenis logam dan kerapatan yang diberikan akan menentukan kecepatan pemanasan
(heating rate) dari logam yang dilas. Masukan
panas akan menentukan temperatur tertinggi yang terjadi pada logam las dan berarti mempengaruhi terhadap struktur-mikro serta sambungan las.
Sifat Mampu Las
Zirkonium mempunyai kemampuan las yang baik dibanding material konstruksi yang lain, seperti baja paduan dan beberapa paduan aluminium. Pengelasan zirkonium mempunyai penampilan yang baik dan mudah dilas[3]. Metal mempunyai koe-fisien ekspansi termal yang rendah dan konstribusi ini menghasilkan distorsi yang rendah selama pengelasan. Sebab modulus elastisitas zirkonium rendah maka akan menyebabkan tegangan sisa yang rendah pada hasil las. Beberapa porositas mungkin dijumpai dalam las zirkonium tetapi bila porositas terjadi, dapat dihindari dengan penaikan arus las, penurunan kecepatan las atau melakukan pemanasan awal. Masalah utama yang timbul saat pengelasan zirkonium adalah kontaminasi oksigen dan nitrogen dengan udara dan selalu naik selama pengelasan terjadi.
Sifat mampu las sering dikaitkan dengan mutu sambungan las yang dicapai. Mutu sambungan las sangat tergantung pada sifat-sifat mekanis yang dihasilkan yang dapat dipengaruhi oleh struktur mikro dan cacat atau retak yang mungkin terjadi. Dengan demikian secara umum dapat dikatakan bahwa sifat mampu las dari suatu logam adalah kemampuan dari logam untuk dilas tanpa terjadi penggetasan atau retak. Karena itu pembahasan berikut ini akan diarahkan kepada masalah penggetasan dan terjadinya retak pada sambungan las.
TATA KERJA
Bahan Utama :
Kelongsong dan bata-ngan zirkaloi-2.
Bahan Pendukung :
Gas Helium sebagai gas pengisi
Bahan kimia untuk proses pickling, rinsing
sertaultra-sonik
Bahan untuk percobaan metalografi
Alat yang Digunakan :
Mesin bubut (Precision Lathe); Mesin las MFW; Mesin Pickling, Rinsing; Ultrasonik; Mesin potong; Mesin Poles; Mikroskop Optik.
Persiapan Eksperimen
Untuk melaksanakan pengelasan tutup dengan kelongsong, ada beberapa hal yang harus dipersiapkan, yaitu:
a. Pembuatan tutup
Tutup dibuat dari batang zirkaloi-2 dengan menggunakan mesin Precision Lathe, seperti bentuk dan ukuran pada Gambar 1. Permukaan kontak harus dibuat betul-betul tegak lurus (rata), dan dihaluskan dengan bantuan kertas pasir. Ukuran-ukuran tutup kemudian diperiksa dengan alat ukur
Dimension Check Equipment.
b. Pembuatan/Pembentukan Kelongsong
Ujung kelongsong yang akan dilas harus baik yaitu rata/halus dan tegak lurus. Pekerjaan dilakukan dengan mesin bubut dengan alat bantu kikir dan diampelas halus. Bentuk dan ukuran kelongsong seperti Gambar 2.
Gambar 1 : Dimensi Tutup (satuan dalam mm).
c. Pickling, Rinsing dan Drying
Untuk menghilangkan kotoran dan lemak-lemak yang timbul saat pengerjaan penyiapan kelongsong dan tutup maka dilakukan proses
pickling, rinsing dan drying. Larutan pickling yang digunakan adalah H2O, Demineral water = 57,0 %;
HNO3 = 65 % HF = 3,5 %. Tutup dan kelongsong
dimasukkan ke dalam wadah yang berisi larutan diatas kemudian digetarkan dengan mesin ultrasonik.
Rinsing dilakukan dengan alat Ultrasonic
Machine yang diisi dengan cairan 25 % alkohol
dicampur dengan 75 % air demineral kemudian digetarkan dengan jutaan Hertz sampai mega hertz.
Drying dilakukan pada drying fan, kelongsong dan
tutup dimasukkan ke wadah pengering kemudian dihembuskan dengan udara panas 800C selama 30 menit. Kemudian sampel disimpan pada wadah yang bebas kotoran dan bebas lembab.
d. Parameter Pengelasan
Proses pengelasan dilakukan dengan menetapkan parameter proses sesuai dengan Tabel 1, dimana parameter “weld neg. Percent current” divariasikan dan parameter yang lain dibuat konstan, seperti Tabel 1.
e. Pemeriksaan Visual
Yaitu pemeriksaan dengan menggunakan mata telanjang atau dengan menggunakan alat bantu (pembesar), tanpa merubah ataupun merusak material yang akan diperiksa, bertujuan :
− Memeriksa bahan baku, produk dan struktur
yang difabrikasi atau dibuat sesuai dengan spesifikasi rancang bangun.
− Memeriksa ketidaksempurnaan (cacat) yang terdapat pada produk.
− Menganalisa penyebab kegagalan suatu produk dan struktur.
Dari hasil uji visual ini akan dapat dideteksi cacat sebagai berikut[2]:
− Ketidakseragaman (discontinuity) komposisi las-an ylas-ang mengakibatklas-an turunnya sifat meklas-anis antara lain: porosity, slag inclusions, excessive penetration, incomplete fusion, tungsten inclusions, whiskers, crater porosity & cracks, arc strikes, oxidation, excessive weld spatter,
weld cracks and base metal cracks.
− Ketidakseragaman (discontinuity) groove weld
dimensional, dapat mendeteksi cacat las antara
lain: misaligment, underfill, undercut, overlap, excessive reinforcement, excessive root concavity, & incomplete penetration.
− Ketidakseragaman (discontinuity) weld di-mensional, dapat mendeteksi cacat las antara lain: insufficient, undercut, overlap, excessive convexity, excessive concavity, insufficient leg, & bridging.
f. Pemeriksaan dengan Metalografi
Hasil las dengan parameter arus, magnet serta waktu yang telah ditentukan maka diperoleh parameter terbaik dalam pengujian. Uji metalografi dapat mendeteksi kerusakan (cacat) yang terjadi pada bagian dalam las yaitu kesempurnaan sambungan hasil las dan perubahan struktur mikro akibat proses las.
Tabel 1. Parameter proses pengelasan dengan pengelasan MFW.
Saklar Posisi Saklar Posisi Saklar Posisi
Weld 1 half cycle OFF Weld time (second) 15 Percent Current Flux Reset
60
Magnetic Force Half Cycle OFF Flux Reset 1 9 Mag. Force 1 10
Magnetic Force Neg. Percent Current
60 Percent Current 35 Percent Current Mag. Force
20
Squeeze 45 Force Delay 1 45
Hold 20 Weld Neg. Percent
Current
Prosedur penyiapan uji metalografi:
1. Kelongsong dibelah dua secara melintang. 2. Melakukan molding terhadap sample.
3. Meratakan permukaan sampel dengan meng-gunakan kertas amplas dari ukuran kasar sampai halus.
4. Memoles sampel dengan bahan pasta.
5. Melakukan etsa dengan bahan etsa HNO3 dan
HF.
6. Melakukan pemeriksaan dengan mikroskop optik dan pemotretan.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Uji Visual
Proses pengelasan pada kelongsong dan tutup zirkaloi-2 ini belum ada parameter yang pasti, maka penelitian ini sekaligus untuk mencari parameter proses las yang tepat untuk bahan dan dimensi pada penelitian ini, untuk itu dilakukan proses pengelasan dengan mencoba-coba untuk mendapatkan parameter las yang tepat, antara lain
besar arus yang digunakan pada masing-masing tahapan proses pengelasan.
Dari hasil kegiatan proses pengelasan kelongsong dan tutup zirkaloi-2 dengan menggu-nakan mesin MFW telah didapat:
Alat MFW telah dicoba untuk mengelas kelongsong dan tutup zirkaloi-2 untuk bahan bakar tipe Cirene = HWR dengan posisi saklar pada panel dan mengeset parameter las seperti pada Tabel 1. Dari hasil proses pengelasan telah didapat hasil yang baik, dengan pengujian secara visual, dengan hasil las seperti Gambar 3.
Kemudian dilakukan penelitian terhadap hasil pengelasan dengan variasi arus las (73, 75, 77)% sementara parameter yang lain dibuat konstan, dari hasil penelitian diperoleh; Arus las salah satu parameter penting dalam proses pengelasan, sehingga dapat dinyatakan bahwa semakin besar arus las maka hasil yang diperoleh secara visual tidak baik yaitu terjadi pelelehan pada bagian las (Gambar 4) sebaliknya semakin kecil arus las yang digunakan akan menghasilkan sambungan las yang tidak baik = terlihat adanya rongga pada hasil las (pengelasan tidak sempurna). Dari hasil penelitian yang diperiksa secara visual didapat besar arus yang terbaik adalah sebesar 75 %.
Pemeriksaan visual dilakukan pada semua sampel dengan menggunakan mata telanjang (visual
check) atau dengan mempergunakan kaca pembesar
atau mikroskop-streo. Pada pemeriksaan visual ini dapat segera diketahui beberapa cacat yang terjadi, misalnya cacat kawah, ketidak sempurnaan penyambungan dan ketidak sempurnaan alur las serta pencekungan alur las akibat panas yang berlebih.
Gambar 4. Sampel hasil pengelasan yang ga-gal setelah pemeriksaan visual.
Hasil Uji Metalografi
Kelongsong hasil las (Gambar 3.) dibelah menjadi dua bagian kemudian dilakukan foto makro potongan memanjang dan lokasi pemeriksaan metalografi seperti Gambar 4.
Gambar 5. Foto makro potongan memanjang hasil las zirkaloy-2.
Dari hasil uji metalografi dapat dilihat foto mikro struktur hasil las sebagai berikut:
Gambar 6. Foto struktu mikro r dari diameter
dalam pada lokasi 1, pembesaran
200 ×.
Gambar 7. Foto struktur mikro material dasar pada lokasi 1. pembesaran 200 ×.
Gambar 8. Foto struktur mikro dari diameter
dalam pada lokasi 1, pembesaran
Gambar 9. Foto struktur mikro dari diameter
dalam pada lokasi 2, pembesaran
200 ×.
Gambar 10. Foto struktur mikro dari diameter
dalam pada lokasi 3, perbesaran
50 ×.
Gambar 11. Foto struktur mikrodari diameter
dalam pada lokasi 3, perbesaran
200 ×.
Gambar 12. Foto struktur mikro dari
dia-meter dalam pada lokasi 3,
perbesaran 200 ×.
Gambar 13. Foto struktur mikro material
da-sar pada lokasi 4, perbeda-saran
200 ×.
Dari hasil foto struktur mikro hasil las zirkaloy-2 terlihat tanda batas las, hal ini disebabkan karena pengelasan terjadi pada daerah plastisitas bahan dan diikuti dengan tekanan gaya magnet artinya tidak terjadi pelelehan yang diikuti solidifikasi pada metal dasar (Gambar 6 dan Gambar 12).
Dari hasil analisis cacat terlihat adanya retak pada hasil las sepanjang 0,337 mm dan 0,336 mm, hal ini menunjukkan bahwa hasil las belum sempurna dan hal ini juga terlihat dari hasil uji hidrostatik yang mengalami kebocoran pada tekanan 12,2 mPa [1] (Gambar 8 dan Gambar 11)
KESIMPULAN
Dari hasil kegiatan proses pengelasan kelongsong dan tutup zirkaloi-2 dengan menggunakan mesin MFW telah didapat:
1. Dari hasil pengelasan bahan bakar tipe cirene = HWR dengan menggunakan alat MFW, dari hasil uji visual telah didapat hasil yang baik dengan besar arus las 75 %.
2. Dari hasil uji metalografi bahwa terlihat jelas tanda batas sambungan las, hal ini disebabkan tidak adanya proses peleburan pada metal dasar tetapi proses las terjadi pada daerah plastisitas dan diikuti dengan penekanan dengan gaya magnet.
3. Dari hasil pemeriksaan cacat terlihat adanya retak pada bagian las sepanjang 0,337 mm dan 0,336 mm, hal ini menunjukkan bahwa hasil las belum sempurna.
SARAN
Untuk mendapatkan hasil yang baik, yaitu dengan cacat las lebih kecil dari 10 % dari tebal las, maka perlu dilakukan penelitian lanjutan untuk mendapatkan parameter yang tepat.
DAFTAR ACUAN
1. SIBARANI MARADU, KISWORO DJOKO,
Pengaruh Arus Pengelasan Terhadap Kekuatan Tekan dan Kekerasan Hasil Las Zirkaloi-2
Dengan Alat Magnetic Force Welding,
Presentasi Hasil Ilmiah PTBN, 2006.
2. ADNYANA, DN., Metalurgi Las, Diktat pada Welding Inspector Coarse, Program Pasca-sarjana-Program Studi Ilmu Material, Fakultas MIPA Universitas Indonesia, 2001.
3. BENJAMIN LUSTMAN dan FRANK KERZE, Jr., The Metallurgy of Zirconium, New York - Toronto -London, Mc Graw-Hill Book Company, Inc, 1955.
4. American Society for Testing and Materials (ASTM), Annual Book of ASTM Standards, A 370 - 90a, Standard Test Methods and Defe-nitions for Mechanical testing of Steel
Products, Philadelphia: ASTM, 1990.
TANYA JAWAB
A. Suntoro
− Pengaturan arus yang digunakan dinyatakan dalam %. Berapa nilai mutlak arus dan bagai-mana pengaturannya.
Maradu S.
− Pengaturan arus dalam % (prosentase), diatur
melalui panel yang tersedia dan alat ukur arus yang ada pada alat tidak bekerja sehingga arus dinyatakan dalam % harga mutlak. Perlu pengaturan arus yang bisa menaikkan dan menurunkan arus yang lebih smooth.
