STUDI CACAT LASAN PADA BAJA
STRUKTURAL DAN PENCEGAHANNYA
Mulianti
(1) (1)Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNP
ABSTRACTCracked weld in a construction is the beginning of more serious damage. Starting on fissure from the cracked area on the heat affected zone of the connection joint and the remaining tension in the material. Cracked weld can be divided in two groups namely cold cracking and the hot cracking. Cold cracking was going on in the weld beat at the temperature below the transformation temperature martensit (Ms), about 300 oC. It may
also occured not only onl HAZ, but also on the weld metal. Hot cracking was going at the temperature above 550 oC. Hot cracking devided into two classes, that is cracked due to loss restraints at heat affected zone on 550-700oC, and also crack that occured at the temperature above 900oC at the time of weld metal solidification.
Keywords: crack, fusion zone, solidification, restraint.
1. PENDAHULUAN
Cacat las adalah suatu keadaan yang mengakibatkan turunnya kualitas hasil lasan, dapat berupa kekuatan bahan dasar base metal, tampilan hasil las atau persyaratan kekuatan suatu konstruksi.
Menurut Avner (1974), baja struktural mempunyai komposisi dalam persentase berat sebagai berikut : 0,22 % C; 1,6 % Mn; 0,6 % Si; 0,05 % S; 0,05 % P (C dan C-Mn steel), jika ditambah paduan (0,003-0,1 % Nb; 0,003-0,2 % V) maka disebut Microalloyed Steels (HSLA).
Pada daerah lasan terbagi menjadi 3 zona, yaitu zona logam induk, daerah HAZ dan deposit las (fusion zone), Sindo (1987).
1.1 Daerah HAZ.
Menurut Sindo (1987), daerah HAZ merupakan daerah yang apabila dietsa akan memberikan penampakan yang berbeda dengan logam induk dan juga dengan deposit las. Lebar dari HAZ tergantung pada : masukan panas dan teknologi yang digunakan,. dimana daerah HAZ akan semakin lebar dengan meningkatnya masukan panas. Distribusi kekerasan pada daerah lasan dapat dilihat pada ”Gambar (1)”. Harga kekerasan sebenarnya pada tiap titik tergantung pada (Sindo,1987) :
- Komposisi baja (%C), kandungan paduan dan inklusi.
- Temperatur puncak, waktu pada temperatur puncak dan kecepatan pendinginan.
Kekerasan yang terlalu tinggi akan mengakibatkan rendahnya ketangguhan dan kemungkinan terjadinya retak meningkat. Untuk mencegah terjadinya hydrogen induced cold cracking, kekerasan Vickers harus lebih kecil atau setara dengan 350 HV.
Gambar 1. Distribusi Kekerasan (HV) dalam Zone HAZ pada Baja Struktural.
Gambar 2. Variasi Mampu Keras pada HAZ Baja 0,22C-1,4 Mn dengan Sulphure Baja Sedangkan untuk mencegah terjadinya stress corrosion cracking, kekerasan Vickers harus setara
Pada kasus multi-run welds akan terjadi pengurangan kekerasan karena adanya proses tempering oleh run berikut (Sindo, 1987) :
1.2. Fusion Zone.
Jika pengelasan dilakukan tanpa filler (autogeneous) dan jika gas pelindung berfungsi dengan baik, maka komposisi fussion zone akan tergantung pada komposisi logam induk. Jika tidak maka fussion zone tergantung pada kompsisi filler wire, derajat kelarutan dan kimia fluks serta gas pelindung. Filler metal biasanya mengandung karbon lebih kecil dari 0,1 %, dan akan membeku sebagai δ ferit. Sedangkan pada pendinginan akan terjadi transformasi δ ke γ dalam dua cara, yaitu (Sindo, 1987) :
a. Tumbuh secara epitaxial dari batas ferit. b. Nukleasi dari batas butir δ ferit.
Hal ini akan mengakibatkan hilangnya δ ferit.atau bertambahnya fasa δ ferit.. Bentuk butir γ (austenit) umumnya columnar. Pada pendinginan lebih lanjut transformasi austenit akan terjadi dan kemungkinan produk transformasinya dapat dilihat pada ”Tabel (1)” dan ”Gambar (7)” yang merupakan struktur mikro akhir (Sindo, 1987).
Tabel 1 Microstructure of Ferrite Steel Weld Metal. Designation proposed
by Abson and Dolby
Code Alternative or earlier designation grain boundary ferrite
polygonal ferrite acicular ferite ferrite with aligned martensit,
austenitic and carbides ferrite carbides aggregate (include pearlite marteside GF PF AF AC FC M
proeutectoid ferrite, ferrite veins, blocky ferrite, polygonal ferrite ferrite island acicular
ferrite side blades, upper bainite, feathery bainite, lamellar product pearlite, ferrite and interphase carbide martenside
Pada prinsipnya struktur mikro akhir dari logam las, diharapkan berupa AF (acicular ferrite), yang lainnya harus diusahakan seminimal mungkin.
Gambar 3. Skema Diagram CCT untuk Deposit Las yang Berhubungan dengan Fase Acicular Ferrite.
Adapun usaha yang yang dapat dilakukan untuk memaksimalkan AF adalah (Avner,1974) :
a. Meningkatkan prosentase Mn diantara 0,66 % sampai 1,82 %, sehingga AF meningkat dari 23 % sampai 72 %,seperti yang terlihat pada
”Gambar (4)”.
b. Menambahkan Mo hingga 0,5 %.
c. Menggunakan penambahan Ti/B, ditambahkan dalam fluks.
d. Memperoleh nukleasi AF dari jenis inklusi tertentu yang berasal dari fluks.
Gambar 4. Pengaruh Kandungan Mn dalam Strukturmikro pada Top Beat
2. KEGAGALAN ATAU CACAT LAS
Menurut Sindo (1987), cacat yang terjadi pada hasil pengelasan, diantaranya yaitu :
1. Solidification (centre-line) cracking.
Hot cracking atau retak panas yang terjadi pada temperatur tinggi, biasanya terjadi disepanjang centre line as-cast bead. Namun retak panas dapat juga terjadi diantara butir columnar yang dikenal dengan istilah dovetail cracking. Solidification cracking terjadi pada area logam las (weld beat) yang terakhir terjadi pembekuan. Selama proses pembekuan yang kontinyu, akan timbul tegangan pada logam di sepanjang kampuh las akibat restraint dari logam las yang mengalami pendinginan. Level tegangan meningkat dengan derajat restraint yang tergantung pada geometri sambungan dan rigiditasnya.
Restraint akan rendah jika volume logam las (weld metal) besar dibandingkan dengan ketebalan pelat dan tinggi volume logam las kecil dibandingkan ketebalan pelat . Ini terjadi bila pelat di klem. Jika
tegangan yang terjadi pada daerah logam cair yang terakhir membeku melebihi kekuatan putus dari logam, maka akan terjadi retak. Faktor lain juga
dapat disebabkan rentang temperatur rapuh yang besar (large brittle temperature range) seperti yang terlihat pada ”Gambar (5)”
Gambar 5. Perbandingan Sifat-sifat Mekanik Daerah Solidus Faktor yang menyebabkan kemungkinan
solidification cracking adalah efek dari komposisi kimia dari baja itu sendiri seperti unsur S, P dan ratio Mn/S.
Unsur karbon juga dapat berpengaruh terhadap terjadinya keretakan. Kelarutan S dalam delta ferit sebesar 0,18 % dan dalam austenit sebesar 0,05 %. Jika pembekuan dari fasa cair menjadi delta ferit, maka kadar S yang tinggi dapat ditolerir, sedangkan jika fasa cair langsung menjadi austenit, dan jika kandungan C lebih besar dari 0,11 %, maka selama pembekuan S akan ditolak yang menyebabkan kemungkinan retak menjadi meningkat. Dengan meningkatnya kadar karbon, maka ratio Mn/S yang dibutuhkan untuk melindungi terjadinya retak juga meningkat seperti yang terlihat pada ”Gambar (6)”, sedangkan mekanisme terjadinya solidification cracking dapat dilihat pada ”Gambar (7)”.
Gambar 6. Pengaruh Ratio Mn/S dan Kandungan Karbon dalam Lasan yang Menyebabkan Retak Panas
Gambar 7. Solidification Cracking 2.. Liquation Cracking.
Cacat jenis ini jarang dijumpai seperti halnya solidification cracking. Liquation cracking dapat terjadi di daerah HAZ atau daerah logam yang mengalami pemanasan ulang. Untuk keduanya, retak dapat terjadi pada daerah berdekatan dengan batas lebur (fushion boundary). Hal ini disebabkan pada daerah batas lebur merupakan sumber segregasi yang terdiri dari partikel yang memiliki titik lebur yang lebih rendah sehingga pada proses pemanasan ulang, ini dimungkinkan partikel tersebut melebur membentuk lapisan pada batas butir. Kemudian sewaktu pendinginan, lapisan yang lebur tersebut retak ketika membeku karena adanya konstraksi dari tegangan yang terbentuk. Pada baja, jenis cacat ini dapat terbentuk jika kadar S dan P tinggi, tetapi juga dapat terjadi pada paduan aluminium dan paduan berbasis nikel.
3. Hydrogen Induced ”cold cracking”
Cold cracking merupakan retak yang terjadi pada temperatur rendah, yaitu pada waktu logam telah mendingin lebih rendah dari 150 oC dalam waktu mulai beberapa menit hingga beberapa hari. Jenis cacat ini merupakan proses yang tergantung pada waktu. Waktu ini merupakan waktu yang di-perlukan hidrogen berdifusi. Pada umumnya terjadi pada daerah HAZ, dan dapat pula terjadi pada logam las.
Retak pada dasarnya tergantung pada tiga hal yang saling berinteraksi, yaitu :
- Hadirnya hidrogen yang dapat berdifusi. - Tegangan sisa yang tinggi
- Struktur mikro yang sensitif terhadap retak (HV > 350).
a. Hidrogen pada logam las.
Kelarutan hidrogen dalam Fe merupakan fungsi temperatur dan struktur mikro, ”Gambar (8)”.
Gambar 8. Kelarutan Karbon dalam Besi Difusifitas juga merupakan fungsi dua variabel,sumber hidrogen berasal dari penguraian hidrokarbon atau uap di dalam busur. Ini mungkin berasal dari pelat atau filler yang kotor, uap air dari atmosfir atau fluks. Tetapi kebanyakan berasal dari fluks. Kadar hidrogen dalam lgam las tergantung pada proses las yang digunakan.
b. Level tegangan sisa, sama seperti pada solidification.
c. Kekerasan struktur mikro.
Hal ini tergantung pada kecepatan pendinginan dan hardenability. Kecepatan pendinginan sangat
dipengaruhi oleh masukan panas, dimana makin tinggi masukan panas makin rendah kecepatan pendinginan. Selain itu juga dipengaruhi oleh tebal pelat, makin tebal pelat kecepatan pen-dinginan makin rendah. Dan juga oleh degree preheat yang digunakan, pada temperatur preheat yang tinggi maka kecepatan pendinginan rendah. Hardenability sangat tergantung pada komposisi kimia dan besar butir austenit. Makin besar ukuran butir austenit, makin rendah hardenabilitynya. Hardenability juga berhubungan erat dengan Carbon Equivalen Value (CEV) baja.
15
20
6
%
C
Si
Mn
Cu
Cr
Cu
Ni
CEV
...(1)untuk komposisi kimia yang lebih luas berdasarkan
Ito/Bessyo dalam Sindo (1987) adalah :
B V Mo Ni Cr Cu Mn Si C Pcm 5 10 15 60 20 30 ...(2)
Untuk baja struktur maksimum CEV sebesar 0,35 merupakan per-syaratan yang harus dipenuhi untuk menghindari terjadinya hydrogen induced cold cracking.
Untuk mencegah hydrocarbon induced cold cracking menurut B.S. 5135:1974 yaitu untuk pengelasan baja C-Mn dan baja karbon struktur adalah :
- Hitung CEV baja dan pilih proses las yang menentukan level hidrogen.
- Dari kombinasi CEV dan level hidrogen tersebut pilih grafik yang sesuai antara t vs masukan panas. Plot ketebalan pelat efektf dan masukan panas pada grafik tersebut dan kemudian tentukan level pemanasan awal yang diperlukan. Untuk menghindari retak pada sambungan double-side V diperlukan Pw<0,3; sedangkan untuk baja HSLA dan baja C-Mn Pw < 0,35 , menurut persamaan (Sindo, 1987) :
000
.
40
60
R
H
P
P
w
cm
...(3) dengan : H = hidrogen (ml/100 gr) R = faktor restraint int mod restra panjang pelat tebal x young ulus 4. Lamelar tearing.Lamelar tearing adalah retak yang terjadi karena tegangan yang besar pada daerah las, kadang-kadang terjadi tegangan berumpak yang menjalar sepanjang butiran bukan logam yang ada dalam baja. Retak ini dipengaruhi bentuk butir bukan logam, harga karbon
equivalent atau sensitifitas retak, kadar hydrogen difusi atau tegangan sisi (Wahyudi, 2007).
Cacat ini merupakan cacat dengan patahan menyerupai anak tangga (step-like fracture) yang dapat terjadi pada ujung HAZ. Cacat jenis ini bermula dari inklusi MnS yang berbentuk flat akibat proses rolling atau jenis inklusi lainnya yang kemudian mengalami perpatahan antar muka antara matriks dengan inklusi. Pertumbuhan retak terjadi pada arah vertikal ataupun bersudut, ductile tearing terjadi pada arah parallel pada celah antara matriks dan inklusi yang mengakibatkan terbentuknya retak yang menyerupai anak tangga. Retak ini terjadi sesaat setelah proses pengelasan. Adapun penyebabnya adalah (Avner, 1974) :
a. Pelat baja yang memiliki keuletan rendah pada arah tebal atau vertikal atau arah sumbu z b. Batas lebur yang mendekati sejajar dengan
permukaan pelat.
Untuk menghindari terjadinya lamelar tearing adalah: pelat baja yang dihasilkan harus memiliki keuletan yang tinggi pada arah sumbu z, reduction in area > 20 %. Baja harus desulphurisasi ke level yang terendah dan kemudian dilakukan Ca atau Ce-treated untuk meyakinkan sulphida sisa yang terbentuk pada hot rolling berada dalam bentuk globular (Avner, 1974).
3. KESIMPULAN
1. Kekerasan yang terlalu tinggi akan mengakibatkan rendahnya ketangguhan dan kemungkinan terjadinya retak meningkat. Untuk mencegah terjadinya hydrogen induced cold cracking, kekerasan Vickers harus lebih kecil atau setara dengan 350 HV. Sedangkan untuk mencegah terjadinya stress crrosion cracking, kekerasan Vickers harus setata atau lebih kecil dari 237.
2. Hot cracking atau retak panas yang terjadi pada temperatur tinggi, biasanya terjadi disepanjang centre line as-cast bead. Dapat juga terjadi diantara butir columnar yang dikenal dengan istilah dovetail cracking. Sedangkan solidification cracking terjadi pada area logam las (weld beat) yang terakhir membeku.
3. Restraint akan rendah jika volume logam las (weld metal) besar dibandingkan dengan ketebalan pelat dan tinggi volume logam las kecil dibandingkan ketebalan pelat . Ini terjadi bila pelat diklem. Jika tegangan yang terjadi pada daerah logam cair yang terakhir membeku melebihi kekuatan putus dari logam, maka akan terjadi retak.
4. Untuk menghindari retak pada sambungan double-side V diperlukan Pw< 0,3; sedangkan untuk baja HSLA dan baja C-Mn Pw < 0,35 5. Untuk menghindari terjadi lamelar tearing
adalah : pelat baja yang dihasilkan harus memiliki keuletan yang tinggi pada arah sumbu z, reduction in area > 20 %. Baja harus desulphurisasi ke level yang terendah dan kemudian dilakukan Ca atau Ce-treated untuk meyakinkan sulphida sisa yang terbentuk pada hot rolling berada dalam bentuk globular.
PUSTAKA
1. Avner, Sidney H., Introduction to Physical
Metallurgy, McGraw Hill International Edition, New York, 1974.
2. Bakti,A. Y., Pengetahuan Bahan dan Bahan
Tambah, Balai Besar Logam dan Mesin, Badan Penelitian dan Pengembangan Industri dan Perdagangan., 2004.
3. Kou, Sindo, Welding Metallurgy, John Wiley &
Sons, New York, 1987.
4. Wiryosumarto, Harsono and Okunura, Toshie, Teknik Pengelasan Logam, Pradnya
Paramitha, Cetakan Kelima, Jakarta, 1991. 5. Metals Handbook Ninth Editions, Vol.9,
Metallography and Microstructures,
6. Wahyudi W., Article in the Definition Category, http: wandiwahyudi.web.id, 2007
