PENGARUH VARIASI TOOL TILT ANGLE DAN TOOL ROTATIONAL SPEED TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIR WELDING DENGAN ANSYS CFX - UNS Institutional Repository

(1)

PENGARUH VARIASI

TOOL TILT ANGLE

_DAN

TOOL

ROTATIONAL SPEED

_{TERHADAP DISTRIBUSI}

TEMPERATUR PADA

FRICTION STIR WELDING

_DENGAN

PEMODELAN ANSYS CFX

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik

Oleh:

FAHRY ADHANI NIM I0411018

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

(2)

(3)

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS TUGAS AKHIR

Saya mahasiswa Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS yang bertanda tangan dibawah ini :

Nama : Fahry Adhani

NIM : I0411018

Judul Tugas Akhir : Pengaruh Variasi Tool Tilt Angle dan Tool Rotational Speed Terhadap Distibusi Temperatur Pada Friction Stir Welding Dengan Pemodelan ANSYS CFX

Dengan ini saya menyatakan bahwa tugas akhir atau skripsi yang saya susun tidak mencontoh atau melakukan plagiat dari karya tulis orang lain. Jika terbukti tugas akhir yang saya susun tersebut merupakan hasil dari plagiat dari karya orang lain maka tugas akhir yang saya susun tersebut dinyatakan batal dan gelar sarjana yang saya peroleh dengan sendirinya dibatalkan atau dicabut.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya dan apabila dikemudian hari terbukti melakukan kebohongan maka saya sanggup menanggung segala konsekuensinya.

Surakarta, 27 Juli 2017

(4)

(5)

HALAMAN DAFTAR DISEMINASI

Saya mahasiswa Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS yang

bertanda tangan dibawah ini :

Nama : Fahry Adhani

NIM : I0411018

Judul Tugas Akhir : Pengaruh Variasi Tool Tilt Angle dan Tool Rotational Speed Terhadap Distibusi Temperatur Pada Friction Stir Welding Dengan Pemodelan ANSYS CFX

Telah melaksanakan seminar hasil tugas akhir pada hari kamis tanggal 13 Juli 2017 dan ujian akhir pendadaran pada hari kamis tanggal 27 Juli 2017. Sebagai bukti terlampir daftar hadir seminar hasil tugas hadir.

Fahry Adhani

(6)

(7)

(8)

PENGARUH VARIASI TOOL TILT ANGLE_DANTOOL ROTATIONAL SPEED _{TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIR}

WELDING DENGAN PEMODELAN ANSYS CFX

Fahry Adhani

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

fahry.adhani@gmail.com

Abstrak

Paramater pengelasan dalam Friction Stir Welding seperti tool tilt angle dan tool rotational speed sangat berpengaruh terhadap kualitas parameter pengelasan. Pemodelan dilakukan untuk mengurangi jumlah eksperimen yang dilakukan, juga untuk mendapatkan data distribusi temperatur yang lebih akurat dan menekan biaya proses eksperimen. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh tool tilt angle dan tool rotational speed terhadap distribusi temperatur pada pemodelan FSW menggunakan software ANSYS CFX. Material yang digunakan pada tool adalah steel BOHLER K100, dan pada workpiece adalah Alumunium Aloy 2024. Variasi tool tilt angle yang digunakan pada penelitian ini adalah 1° hingga 4° dengan interval 1°, sedangkan untuk tool rotational speed menggunakan variasi 1100, 1200, dan 1300 rpm. Pada tiap variasi didapatkan temperatur pada sisi advance selalu lebih tinggi dari pada sisi retreat. Tool tilt angle berpengaruh terhadap distribusi temperatur ditunjukkan dari lebih besarnya peningkatan distribusi temperatur pada variasi sudut kemiringan tool 3° dan 4° dibandingkan variasi kemiringan 1° dan 2°. Distribusi temperatur pada posisi awal akan meningkat seiring peningkatan kecepatan rotasi. Pada posisi tengah perbedaan besar peningkatan temperatur mengakibatkan temperatur akhir yang hampir sama pada ketiga variasi. Pada posisi akhir variasi kecepatan rotasi paling kecil memiliki temperatur yang lebih besar.

Kata kunci: Friction Stir Welding; Distribusi Temperatur; ANSYS CFX; AA2024; BOHLER K100; Sudut Kemiringan; Kecepatan Rotasi;

(9)

EFFECT OF TOOL TILT ANGLE AND TOOL ROTATIONAL SPEED ON TEMPERATURE DISTRIBUTION IN FRICTION STIR WELDING WITH

ANSYS CFX MODELING

Fahry Adhani

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

fahry.adhani@gmail.com

Abstract

Welding parameter, in Friction Stir Welding such as tool tilt angle and tool rotational speed had a great influence on the quality of welding parameter. Modeling had been used to reduce the number of experimental trials, and also to obtain more accurate temperature distribution data and to reduce the cost of the experimental process. This study aimed to determine the effect of tool tilt angle and tool rotational speed on temperature distribution in FSW modeling using ANSYS CFX software. The material used was steel BOHLER K100 for the tool, and Alumunium Aloy 2024 for the workpiece. At each variation, the temperature on the advance side was always higher than the retreat side. The tool tilt angle had an effect on the temperature distribution as indicated by the greater temperature distribution in the 3° and 4° angle variations compared to the 1° and 2° angle variations. Temperature distribution at the starting position will increase as the rotation speed increases. In the middle position a large difference in temperature increase results in nearly the same final temperature in all three variations. At the end position the variation of the least rotation speed has a larger temperature.

Keywords: Friction Stir Welding; Temperature Distribution; ANSYS CFX; AA2024; BOHLER K100; Tool Tilt Angle; Tool Rotational Speed;

(10)

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 seluruh keluarga penulis yang selalu mencurahkan segala doa,

daya dan kemampuannya untuk penulis sehingga penulis mampu menjadi seperti 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 Lulus Lambang, dan Bapak Triyono selaku dewan penguji yang telah memberikan saran dan kritik yang membangun. Terima kasih banyak atas segala masukan dan kritik yang diberikan kepada penulis.

(11)

7. Semua keluarga Di Blitar yang telah memberikan doa dan dorongan semangat baik moral maupun materil kepada penulis selama pengerjaan Skripsi ini. 8. Saudara Fadillah Ardhi dan Oky Prasetya 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) dan Sentra Kegiatan Islam (SKI) FT yang telah banyak memberikan kemampuan berorganisasi dan interaksi sosial.

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.

Penulis

(12)

DAFTAR ISI

1.6. Sistematika Penulisan ... 4

BAB II LANDASAN TEORI ... 5

2.1. Tinjauan Pustaka ... 5

2.2. Dasar Teori... 12

BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 17

3.1. Lokasi Penelitian... 17

3.2. Alat Penelitian... ... 17

3.3. Meotodologi Penelitian ... 17

3.1.1 Parameter Pemodelan FSW... 17

3.1.2 Geometri Workpiece... 18

(13)

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 27

4.1. Data Hasil Pemodelan FSW... 27

4.1.1 Data variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1100 rpm .... 27

4.1.2 Data variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ... 29

4.2. Pembahasan Perbandingan Simulasi Variasi Sudut Kemiringan Tool ... 48

4.3. Pembahasan Perbandingan Simulasi Variasi Kecepatan Rotasi Tool... 53

BAB V PENUTUP... 57

5.1. Kesimpulan ... 57

5.2. Saran ... 57

DAFTAR PUSTAKA ... 58

LAMPIRAN ... 61

(14)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Data Properti Material AA 2024 ... 18

Tabel 3.2. Data Properti Material BOHLER K100 ... 19 Tabel 3.3. Urutan pengambilan data ... 22 Tabel 3.4. Perbandingan pengukuran temperatur antara penelitian dengan Ansys ... 24 Tabel 4.1. Luas permukaan contact antara tool dan workpiece pada variasi sudut

kemiringan tool ... 52

(15)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Struktur makro aluminium alloy AA2024 pada welding speed konstan

75 mm/min dengan variasi rotational speed ...5

Gambar 2.2. Struktur makro aluminium alloy AA2024 pada rotational speed konstan 1200 rpm dengan variasi welding speed ...6

Gambar 2.3. Tampak atas permukaan hasil pengelasan...7

Gambar 2.4. Struktur mikro aluminium alloy AA2014 pada tilt angle 0o hingga dengam 3o ...7

Gambar 2.5. Cacat hasil lasan aluminium alloy AA2014 pada tilt angle 0o hingga dengam 3o ...8

Gambar 2.6. Grafik kenaikan suhu pengelasan fungsi sudut kemiringan tool pada sisi advance ...9

Gambar 2.7. Grafik kenaikan suhu pengelasan fungsi sudut kemiringan tool pada sisi retreat ...9

Gambar 2.8. Gambar permukan dan lubang keluaran hasil pengelasan ... 10

Gambar 2.9. Gambar pengamatan mikro ... 11

Gambar 2.10. Gambar pengamatan makro ... 11

Gambar 2.11. Skema FSW ... 13

Gambar 2.12. Proses pengelasan FSW ... 14

Gambar 2.13. Skema distribusi temperatur pada proses FSW ... 15

Gambar 2.14. Skema perpindahan panas ... 15

Gambar 3.1. Geometri workpiece ... 18

Gambar 3.2. Geometri tool ... 19

Gambar 3.3. Pemodelan meshing FSW ... 20

Gambar 3.4. Skala kualitas mesh berdasarkan skewness ... 20

Gambar 3.5. Domain pemodelan FSW dengan ANSYS CFX ... 21

Gambar 3.6. Titik pengambilan data distribusi temperatur ... 22

Gambar 3.7. Geometri workpiece, (b) Geometri tool ... 23

Gambar 3.8. Kondisi batas pada Ansys CFX ... 24

Gambar 3.9. Grafik perbandingan data distribusi temperatur antara Su dkk (2014) dengan Ansys ... 25

Gambar 3.10. Diagram alir penelitian ... 26

(16)

Gambar 4.1. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ... 27 Gambar 4.2. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 1° dan

kecepatan rotasi 1100 rpm ... 27

Gambar 4.11. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ... 36 Gambar 4.12. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ... 36 Gambar 4.13. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan

rotasi 1100 rpm ... 37 Gambar 4.14. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ... 38 Gambar 4.15. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan

rotasi 1300 rpm ... 41 Gambar 4.18. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ... 41

(17)

Gambar 4.19. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ... 43 Gambar 4.20. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ... 43 Gambar 4.21. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan

rotasi 1300 rpm ... 46 Gambar 4.24. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ... 46 Gambar 4.25. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi sudut

kemiringan tool pada posisi awal ... 48 Gambar 4.26. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi sudut kemiringan tool pada posisi tengah ... 48 Gambar 4.27. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi sudut kemiringan tool pada posisi akhir ... 49 Gambar 4.28. Kontur distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi sudut

kemiringan tool pada posisi tengah ... 49 Gambar 4.29. Metode pemasukan tool ke workpiece oleh Muhayat ... 51 Gambar 4.30. Metode pemasukan tool ke workpiece pada penelitian ini ... 51 Gambar 4.31. Luas permukaan contact antara tool dan workpiece pada sudut kemiringan tool : (a) 1°, (b) 2°, (c) 3°, (d) 4° ... 52 Gambar 4.32. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi awal ... 53

Gambar 4.33. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi tengah... 53 Gambar 4.34. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi akhir ... 54 Gambar 4.35. Kontur distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi tengah... 54

(18)

DAFTAR RUMUS

Rumus 2.1. Panas yang diterima Workpiece ... 15

Rumus 2.2. Perpindahan panas konveksi permukaan atas workpiece ... 16 Rumus 2.3. Perpindahan panas konveksi permukaan bawah workpiece ... 16 Rumus 2.4. Perpindahan panas konveksi permukaan samping workpiece sisi

advance ... 16 Rumus 2.5. Perpindahan panas konveksi permukaan samping workpiece sisi

retreat ... 16 Rumus 3.1 Nilai error temperatur ... 24

(19)

DAFTAR NOTASI

A = Konstanta (s-1)

Cp = Kapasitas panas (J/kg K)

h = Koefisien konveksi (W/m2K)

m = Massa ( kg)

q = Perpindahan panas konveksi (W/m2)

Q = Energi panas (J)

T = Temperatur (K)

Ta = Temperatur sekitar (K)

(20)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Tabel Temperatur Variasi Sudut Kemiringan Tool 1° Dan Kecepatan Rotasi Tool 1100 Rpm 62 Lampiran 2. Tabel Temperatur Variasi Sudut Kemiringan Tool 1° Dan Kecepatan

Rotasi Tool 1200 Rpm 62 Lampiran 3. Tabel Temperatur Variasi Sudut Kemiringan Tool 1° Dan Kecepatan

Rotasi Tool 1300 Rpm 67 Lampiran 13. Tabel Temperatur Perbandingan Simulasi Variasi Sudut Kemiringan

Tool Pada Posisi Awal 68 Lampiran 14. Tabel Temperatur Perbandingan Simulasi Variasi Sudut Kemiringan

Tool Pada Posisi Tengah 68 Lampiran 15. Tabel Temperatur Perbandingan Simulasi Variasi Sudut Kemiringan

Tool Pada Posisi Akhir 69 Lampiran 16. Tabel Temperatur Perbandingan Simulasi Variasi Kecepatan Rotasi

Tool Pada Posisi Awal 69 Lampiran 17. Tabel Temperatur Perbandingan Simulasi Variasi Kecepatan Rotasi

Tool Pada Posisi Tengah 70

(21)

Lampiran 18. Tabel Temperatur Perbandingan Simulasi Variasi Kecepatan Rotasi Tool Pada Posisi Akhir 70