ANALISA METALOGRAFI PENGARUH FILLER SERBUK ZINC PADA

SAMBUNGAN LAS TITIK BEDA MATERIAL ANTARA ALUMINIUM

DAN STAINLESS STEEL

Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I pada Jurusan Teknik

Mesin Fakultas Teknik

Oleh:

DENI PRAKOSO

D200 120 131

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2017

i

ii

iii

1

ANALISA METALOGRAFI PENGARUH FILLER SERBUK ZINC PADA

SAMBUNGAN LAS TITIK BEDA MATERIAL ANTARA ALUMINIUM DAN

STAINLESS STEEL

ABSTRAK

Tujuan dari penelitian ini adalah mendeskripsikan pengaruh filler serbuk zinc

pada sabungan las titik terhadap perubahan makro dan mikro logam las, HAZ, dan logam

induk. Serbuk zinc ditempatkan diantara dua logam induk dengan dibantu lokator yang

berupa lubang di aluminium. Pengujian metalografi yang dilakukan adalah uji foto

makro dan mikro berdasarkan standar ASTM E407-07. Material yang digunakan yaitu

stainless steel tebal 1mm, aluminium tebal 1,2mm dan filler serbuk zinc. Parameter las

yang divariasikan adalah arus listrik (6000, 7000, 8000 A) dan (0.2, 0.3, 0.4 detik). Dari

percobaan yang telah dilakukan, melalui uji foto makro dihasilkan bahwa semakin besar

arus dan waktu pengelasan, semakin besar pula diameter nugget. Pengelasan dengan

menggunakan filler zinc, diameter nuggetnya lebih besar dibandingkan tanpa filler.

Selanjutnya melalui uji foto mikro terlihat bahwa serbuk zinc melebur dan bercampur

dengan aluminium, sementara pada pengelasan tanpa filler tidak terjadi leburan. Selain

itu terlihat bahwa daerah logam las aluminium lebih besar dibandingkan stainless steel,

kemudian butiran pada daerah HAZ stainless steel berubah besar, sedangkan pada

aluminium berubah menjadi kecil.

Kata Kunci: Las titik, Beda material, Filler, HAZ, Nugget

ABSTRACT

The purpose of this research is to describe the effect of zinc powder filler on the

spot welding to the macro and micro welding of the weld metal, HAZ, and the parent

metal. Zinc powder is placed between two parent metals with assisted locator in the form

of a hole in aluminum. Metallographic testing performed is a macro and micro photo

test based on ASTM E407-07 standard. The materials used are 1mm thick stainless steel,

1.2mm thick aluminum and zinc powder filler. The varied weld parameters are electric

current (6000, 7000, 8000 A) and (0.2, 0.3, 0.4 sec). By macro photo test results that the

greater the current and welding time, the greater the diameter of nuggets. Welding using

zinc filler, diameter nugget is bigger than without filler. Furthermore, through the

microscope test showed that zinc powder fused and mixed with aluminum, while the

welding without filler did not occur melting. In addition it is seen that the aluminum

metal welding area is larger than stainless steel, then the grain in the HAZ stainless steel

area change large, while the aluminum turns into small.

Keywords : Spot Welding, Dissimilar, Filler, HAZ, Nugget

2

1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Perkembangan teknologi dibidang kontruksi semakin maju, baik di dalam perakitan

maupun perawatan. Seiring kemajuan teknologi dalam bidang kontruksi manufaktur,

membuat pengelasan semakin dibutuhkan. Semakin luas penggunaan las mempengaruhi

kebutuhan penggunaan teknologi las. Teknologi pengelasan terbagi dalam beberapa jenis,

salah satunya adalah las titik (spot welding).

Las titik (spot welding) yaitu suatu proses dimana dua atau lebih material berbentuk

plat/lembaran dijepit diantara dua buah elektroda kemudian disambungkan menggunakan

energi panas yang dihasilkan dari tahanan (resistance) arus listrik. Las titik (spot welding)

tidak hanya digunakan untuk industri otomotif, tetapi juga dapat diterapkan pada bidang

perkapalan, konstruksi, jembatan, kendaraan, rel kereta api, rangka baja, (Wiryosumarto,

H. dan T. Okumora, 2000).

Ketersediaan bahan bakar fosil yang semakin berkurang menuntut manusia untuk

berinovasi dalam penghematan energy, salah satunya dengan mengurangi berat kendaraan

dengan tujuan berat suatu kontruksi akan lebih ringan, tetapi tidak mengurangi kualitas

dari sifat fisis, sifat kimia dan berat dari suatu material.

Dalam mendesain sebuah kontruksi kendaraan banyak hal yang harus

dipertimbangkan, salah satunya adalah material yang digunakan. Untuk memenuhi

kebutuhan tersebut dalam suatu produksi, maka jenis material yang digunakan sebagai

bahan baku harus baik, mampu las, mampu diperbaiki. Las titik (spot welding) tidak hanya

digunakan untuk material yang sejenis, tetapi juga dapat digunakan untuk material tak

sejenis.

Penggabungan antara aluminium dengan stainless steel merupakan hal yang tidak

mudah karena sifat dan titik lebur yang berbeda. Penggabungan material beda jenis dengan

tambahan filler pada sambungan las titik sudah dilakukan oleh beberapa peneliti. Namun

penggabungan beda material dengan menggunakan lembaran/pelat dengan ketebalan 1-2

mm dengan tambahan penempat filler serbuk di tengah-tengah material yang berfungsi

sebagai perantara material yang satu dengan material lainnya merupakan hal baru.

1.2 Tujuan

1. Mengidentifikasi komposisi kimia logam dari material stainless steel dan aluminium,

serta serbuk zinc sebagai filler yang digunakan untuk penelitian.

2. Mendeskripsikan lebar diameter nugget pada hasil pengelasan.

3. Mendeskripsikan hasil uji struktur makro.

3

4. Membandingkan pengaruh serbuk filler dan tanpa serbuk filler pada sambungan las

titik beda material terhadap struktur mikro di daerah terpengaruh panas (HAZ) dan

daerah logam las.

1.3 Tinjauan Pustaka

Pengelasan titik (spot welding) beda material pernah diteliti oleh Kolarik, Ladislav.

Dkk, (2012), dengan tebal yang sama yaitu 2 mm. Material yang digunakan adaalah

austenitic stainless steel 304 dan baja karbon rendah. Penelitiannya menggunakan variasi

arus yaitu 7-8 kA dengan parameter lain konstan. Hasil penelitiannya, ukuran lebar logam las

semakin naik seiring dengan kenaikan arus. Lebar logam las tidak simetris antara pada bagian

austenitic stainless steel 304 dan baja karbon rendah. Daerah HAZ lebih lebar pada bagian

baja karbon rendah dibandingkan austenitic stainless steel 304. Ini dikarenakan konduktivitas

thermal lebih tinggi, dari data penelitiannya didapatkan kesimpulan bahwa semakin tinggi

arus yang digunakan maka semakin lebar pula daerah logam las yang terbentuk.

Pada tahun 2016 Isnanto Rika, melakukan penelitian tentang pengelasan beda material

menggunakan las titik (Spot Welding). Material yang digunakan dalam penelitian tersebut

adalah Aluminium paduan 6019 dengan stainless steel alloy menggunakan bahan

pengisi/filler zinc alloy ZA-12 . Dengan tebal Al (1,2 mm), Ss (1 mm) dan Zn (0,2mm).

Parameter yang digunakan dalam pengelasan 6000 A, 7000 A, 8000 A dengan cycle time 0,2

dt; 03 dt; dan 0,4 dt;, diameter elektroda 5 mm. Hasil Penelitian tersebut adalah lebar logam

las(nugget) filler/tanpa filler dan struktur mikro. Penelitian tersebut menyatakan bahwa

ukuran logam las(nugget) aluminium filler/tanpa filler semakin besar seiring kenaikan arus

dan waktu. Semakin besar arus, semakin lama waktu, maka semakin besar pula lebar

diameter logam las(nugget).

Gambar 1. Hasil uji perbandingan struktur makro filler dan non filler

(Isnanto Rika, 2016)

4

Gambar 2. Histogram pengaruh arus dan waktu terhadap lebar logam las(nugget) aluminium

(Isnanto Rika, 2016)

Penelitian tentang pengelasan titik(spot welding) antara aluminium dan stainless steel

dan filler serbuk zinc berat 0,05grm di antara kedua material pernah diteliti oleh Dowi Bai

Makhruf, (2017), hasil penelitian pada pengujian makro nugget aluminium terlihat lebih besar

dari pada stainless steel karena perbedaan konduktivitas. sedangkan pada uji mikro struktur

daerah nugget material aluminium dan zinc membentuk lapisan seperti gumpalan, diakibatkan

rekristalisasi kurang sempurna. Butiran dari filler zinc hanya dapat bercampur dengan butiran

aluminium. Sedangkan butiran stainless steel tidak dapat bercampur dengan aluminium

maupun filler zinc.

Gambar 3. Hasil uji struktur makro dan mikro (Dowi Bai Makhruf, 2017)

5

2. METODE

2.1 Alat

Alat pegelasan : Las titik (RSW) tipe AC foot operate spot welding

Alat bantu : Alat ukur, mesin potong, tang, gergaji potong, Vibrating screener,

cekam, kikir, stop watch, resin, catalys, ampelas, kain bludru, hair

dryer, cairan etsa.

Alat pengujian : Alat uji komposisi kimia (spectrometer), mikroskop makro,

miskroskop mikro.

2.2 Bahan

Bahan penelitian: Material plat aluminium, stainless steel, dan filler serbuk zinc

2.3 Tempat penelitian

Tempat penelitian : Laboratorium Material Politeknik Manufaktur(POLMAN)

Ceper, Laboratorium Proses Produksi Teknik Mesin Universitas

Muhammadiyah Surakarta, Laboratorium Bahan Teknik Mesin

(UGM) dan Laboratorium Metalurgi Teknik Mesin Universitas

Sebelas Maret.

2.4 Langkah pengujian

Penelitian ini menggunakan pengelasan titik (spot welding) dengan tipe sambungan

(lap joint). Spesimen dibagi menjadi 2 kelompok yaitu tanpa filler dan menggunakan filler

dengan variasi parameter arus 6000; 7000; 8000 A dan waktu pengelasan 0,2; 0,3; 0,4 detik.

Proses pengelasan dilakukan dengan penambahan filler serbuk zinc mesh-100, filler 0,07

gram diletakkan pada lubang lokator yang dibuat pada material aluminium.

a. Pengujian komposisi kimia

Pengujian komposisi kimia menggunakan standar ASTM A751-01.

b. Pembuatan lubang lokator

Lubang lokator dibuat pada material alumunium dengan diameter Ø5 mm dengan

kedalaman 0,5 mm, berfungsi sebagai pembatas/penempat filler serbuk zinc. Dimensi

spesimen uji dapat terlihat pada gambar 5.

6

c. Proses pengelasan

Gambar 4. Skema pengelasan

Aluminium

(mm)

Stainless Steel

(mm)

W 25 25

L 100 100

Ø 5

Gambar 5. Ukuran spesimen (ASME QW 462.9)

d. Pengujian metalografi

Gambar 6. Arah pemotongan spesimen

7

Gambar 7. Spesimen setelah pemotongan dan di mounting

2.5 Diagram alir penelitian

Gambar 8. Diagram alir penelitian

8

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Uji komposisi kimia

Pengujian komposisi kimia dilakukan untuk mengetahui dan memastikan jenis

material dan unsur kimia yang terdapat pada material. Penelitian ini menggunakan material

aluminium, stainless steel dan zinc. aluminium dan stainlesssteel sebagai logam induk, zinc

sebagai logam pengisi (filler). Berikut pemaparan hasil pengujian komposisi kimia

Aluminium, stainless steel dan zinc.

Tabel 1. Hasil uji komposisi kimia aluminium

No Unsur Prosentase (%)

1 Al 98,8

2 Si 0,2080

3 Fe 0,4597

4 Cu 0,0823

5 Mn 0,0710

6 Mg 0,0731

7 Zn 0,1772

8 unsur lain 0,0921

jumlah 100

Dari table 1 diketahui bahwa unsur-unsur yang terkandung merupakan jenis

aluminium paduan. Unsur-unsur yang dominan yaitu Al=98,8%,Fe=0,4597% dan

Si=0,2080%, dari 3 unsur tersebut kita masukkan data ke dalam “MatWeb Material Property

Data”, kita dapatkan jenis material aluminium tersebut termasuk ke dalam 6xxx yaitu 6015.

Tabel 2. Hasil uji komposisi kimia stainless steel

No Unsur Prosentase (%)

1 Fe 73,74

2 C 0,0824

3 Si 0,5853

4 Mn 0,8552

5 Cr 14,5387

6 Ni 1,0851

7 Cu 0,7035

8 unsur lain 0,4223

Jumlah 100

9

Dari pengujian spectrometer material Stainless Steel diperoleh hasil dengan prosentase

tertinggi Fe=73,74%, selain itu unsur yang dominan adalah Cr=14,5387%, sedangkan unsur

paduan lainnya di bawah 1%, berdasarkan ASM Handbook vol 6 menggunakan diagram

schaeffler dengan mencari % Cr dan % Ni, rumus tersebut yaitu

Cr eq = %Cr + %Mo + 1,5 x %Si + 0,5 x %Nb

Ni eq = %Ni + 30 x %C + 0,5 x %Mn

Perhitungannya sebagai berikut,

Cr eq = %Cr + %Mo + 1,5 x %Si + 0,5 x %Nb

= 14,5387 + 0,0154 + (1,5 x 0,5853) + (0,5 x 0,0156)

= 15,440

Ni eq = %Ni + 30 x %C + 0,5 x %Mn

= 1,0851 + (30 x 0,0824) + (0,5 x 0,8552)

= 3,984

Gambar 9. Diagram schaeffler

Tabel 4. Hasi uji komposisi kimia zinc

No Unsur Prosentase

(%)

1 Zn 78,9

2 Al 7,50

3 Cd 0,317

4 Fe >2,00

5 Sn 2,31

6 Mn >0,120

7 Pb 1,27

8 unsur lain 0,085

Jumlah 100

10

Dari hasil uji komposisi kimia zinc, unsur yang mendominasi adalah Zn yaitu

sebanyak 78,9 %, Al sebanyak 7,50 % dan Sn sebanyak 2,31 %. Berdasarkan “MatWeb

Material Property Data”, material tersebut termasuk zinc alloy seri Za-12. Material jenis ini

merupakan material yang memiliki kekuatan pembebanan besar.

3.2 Pengujian metalografi

Pengujian metalografi dilakukan untuk mengetahui sifat fisik suatu material. Sifat

fisik tersebut terbagi atas daerah logam induk (Base Metal), logam las (Nugget), dan daerah

terpengaruh panas (Heat Affective Zone). Uji struktur makro untuk mengetahui lebar diameter

daerah logam las(nugget), sedangkan uji foto mikro untuk mengetahui daerah HAZ(Heat

Affective Zone), logam las dan logam induknya. Berikut hasil uji metalografi untuk las beda

material aluminium dan stainless steel dengan menggunakan filler dan tanpa menggunakan

filler.

Tabel 5. Pengaruh arus dan waktu pada lebar logam las(nugget)

Eksperimen

Arus Waktu Lebar Nugget(mm)

(Ampere) (detik) DenganFiller

(mm)

TanpaFiller

(mm)

Al SS Al SS

1

6000

0,2 2,96 2,13 2,80 -

2 0,3 3,84 2,05 3,44 -

3 0,4 4,62 3,33 3,65 -

4

7000

0,2 3,56 2,95 2,83 -

5 0,3 4,75 3,22 3,66 -

6 0,4 4,89 3,79 3,76 -

7

8000

0,2 4,45 1,88 3,89 -

8 0,3 5,23 3,00 4,00 -

9 0,4 5,60 3,96 4,39 -

11

Gambar 10. Histogram pengaruh arus dan waktu terhadap lebar logam las (nugget)

aluminium

Gambar 10 menunjukkan bahwa variasi arus dan waktu berpengaruh terhadap lebar

diameter logam las(nugget). Hal ini sesuai dengan rumus H= I².R.t, bahwa semakin besar

arus (I) dan semakin lama waktu (t) maka semakin besar pula masukkan panas yang terjadi.

Hal ini juga pernah di teliti oleh Isnanto Rika, (2016) bahwa semakin besar arus, maka

semakin besar pula lebar diameter logam las (nugget).

Filler Non filler

Gambar 11. Perbandingan foto makro filler dan non filler

Dari gambar 11 di atas menunjukkan lebar diameter logam las(nugget) aluminium

lebih besar daripada stainless steel. Penelitian sebelumnya, Arghafani dkk (2016)

menyatakan bahwa lembaran aluminium dengan lapisan zinc meleleh lebih besar pada

pengelasan low carbon steel, daripada pengelasan lembaran aluminium dengan baja galvanis,

saat pengelasan lembaran aluminium dengan lapisan zinc akan membentuk logam las(nugget)

lebih besar karena melelehnya logam zinc terhadap aluminium. Hal ini juga berkaitan dengan

titik lebur aluminium lebih kecil daripada titik lebur stainless steel. Sambungan pada daerah

Logam las(nugget) dengan menggunakan filler lebih besar dibandingkan dengan tanpa filler.

Dari gambar 10 terlihat bahwa lebar diameter logam las (nugget) aluminium pada pengelasan

12

menggunakan filler yaitu sebesar 5,60 mm, sedangkan tanpa filler sebesar 4,39 mm.

Aluminium cenderung meleleh sedangkan stainless steel terlihat tidak meleleh.

Gambar 12. Logam Induk (base metal) spesimen uji

Gambar 12 merupakan gambar yang diambil pada spesimen uji. Mikrostruktur pada

spesimen sudah mendekati dan sesuai dengan ASM Handbook Vol 9.

Gambar 13. Foto makro daerah HAZ dan Nugget dengan filler dan tanpa filler

Al SS

Filler Non Filler

HAZ SS

HAZ Al

Nugget Al Nugget SS Nugget Zn HAZ Al HAZ SS Nugget SS dan Al

13

Gambar 14. Hasil penelitian daerah HAZ

Perubahan daerah HAZ dari gambar 14 yang menggunakan filler maupun tanpa

menggunakan filler terlihat nampak berbeda. Pada las yang menggunakan filler nampak daerah

logam lasnya melebur dengan butiran kecil. Pada material aluminium perubahan besarnya

butiran dari logam induk ke logam las yaitu semakin kecil. Perubahan besarnya butiran pada

daerah HAZ ke daerah las(nugget) dengan filler terlihat lebih kecil dibandingkan daerah yang

tanpa filler. Sedangkan pada stainless steel, Pada las menggunakan filler butiran berubah

menjadi besar dari logam induk, pada las tanpa filler butiran juga berubah menjadi besar. Hal ini

disebabkan adanya hambatan termal yang baik pada las menggunakan filler zinc, sementara pada

daerah las tanpa filler kurangnya hambatan termal.

Ada tiga zona pada daerah logam las, zona tersebut yaitu zona stainless steel-zinc, zinc-

aluminium dan stainless steel-aluminium, dari gmbar di atas terlihat bahwa zona paling baik

dalam peleburan yaitu pada zinc-aluminium.

Filler Non Filler

Alu

min

ium

Sta

inle

ss s

teel

14

Gambar 15. Data hasil penelitian daerah logam las

Daerah logam las pada sambungan aluminium dengan stainless steel menggunakan

filler dan tanpa menggunakan filler pada gambar tidak menempel sempurna. Hal ni

dikarenakan besar konduktivitas termal material yang berbeda. Pada material aluminium dan

zinc membentuk butiran kecil. Dari penelitian sebelumnya Dowi Bai Makhruf, (2017), daerah

nugget material aluminium dan zinc membentuk lapisan seperti gumpalan diakibatkan

rekristalisasi kurang sempurna, butiran dari filler zinc hanya dapat bercampur dengan butiran

aluminium, sedangkan butiran stainless steel tidak dapat bercampur dengan aluminium

maupun filler zinc. Daerah logam las aluminium membentuk butiran yang halus yang

diakibatkan rekristalisasi yang sempurna, semakin banyak batas butir mengakibatkan

peningkatan kekuatan logam tersebut. Batas butiran logam las aluminium yang menggunakan

filler zinc lebih banyak dibandingkan dengan yang tanpa menggunakan filler zinc. Sedangkan

untuk logam las(nugget) stainless steel, butiran yang menggunakan filler zinc tidak begitu

terlihat tetapi hanya berbentuk gumpalan, sedangkan butiran logam las(nugget) stainless steel

tanpa menggunakan filler zinc tidak terlihat dikarnakan rekristalisasi kurang baik serta nilai

melting point material aluminium dan stainless steel yang berbeda jauh.

Dengan filler Tanpa filler

Zona

Zn dan

Al

Zona

SS dan

Al

Zona

SS dan

Zn

15

4. PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Berdasarkan analisa data dan pembahasan, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai

berikut:

a. Hasil uji komposisi kimia pada aluminium menunjukkan bahwa aluminium tersebut

merupakan seri 6015 (campuran Al-Fe-Si), untuk hasil uji komposisi kimia stainless

steel termasuk dalam kategori austenitic+ferrit, yaitu seri 201 austenitic alloy,

sedangkan untuk uji komposisi zinc termasuk zinc alloy ZA-12.

b. Setiap kenaikan arus dan waktu, berpengaruh terhadap lebar diameter logam

las(nugget). Pada pengelasan menggunakan filler, nugget lebih besar dibandingkan

non filler.

c. Material aluminium dan filler serbuk zinc cenderung meleleh, sedangkan untuk

stainless steel tidak meleleh namun terjadi perubahan butiran.

d. Hasil pengujian mikro, ada pencampuran zinc dengan aluminium, sedangkan zinc

dengan stainless steel tidak ada pencampuran yang sempurna. Sedangkan antara

stainless steel dan aluminium tidak terjadi pencampuran namun keduanya dapat

tersambung. Butiran pada daerah HAZ berubah besar pada stainless steel, sedangkan

pada aluminium berubah menjadi kecil.

4.2 Saran

Penelitian mengenai pengelasan beda material perlu dikembangkan lagi, dengan

material sama seperti penelitian ini dapat dikembangkan lebih luas dengan parameter

berbeda-beda, bisa juga dengan parameter yang sama namun material yang berbeda-beda.

Untuk hasil penelitian yang optimal, alat-alat pendukung yang digunakan juga harus lebih

baik.

16

DAFTAR PUSTAKA

Arghavani, M. dkk. (2016). Role of zinc layer in resistance spot welding of aluminium to

steel. doi: 10.1016/j.matdes.2016.04.033. Department of Materials Science and

Engineering, Sharif University of Technology, P.O. Box 11365-9466, Azadi Ave.,

Tehran, Iran

ASM Metals Handbook. 1983. Welding Brazing and Soldering. Introduction to the Selection

of Stainless Steels. John C. Lippold, Edison Welding Institute, Vol.6, p.1110.

ASM Metallography and Microstructures. Richard H. Stevens, Aluminum Company of

America, Vol.6, p.707

ASME IX 2010. Welding and Brazing Qualifications. American Society Mechanical

Engineering, Three Park Avenue, New York, 10016 USA.

ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA 19428-

2959, United States.

Dowi Bai Makhruf, 2017, Studi Metalografi Pengaruh Filler Serbuk Zinc Pada Pengelasan

Titik Beda Material Antara Aluminium dan Stainless Steel. Teknik Mesin UMS.

Isnanto Rika, 2016, Analisa Metalografi Pengaruh Filler Zinc Pada Pengelasan titik Beda

Material Aluminium Dan Stainless Steel. Teknik Mesin UMS.

Kolarik, L., dkk. (2012). Rasistance Spot Welding of Dissimilar Steel, Department of

Manufacturing Technology, Technick´a 4, 166 07 Praha, Czech Republic. Acta

Polytechnica Vol. 52 No. 3/2012

R. Balasundaram, V.K.Patel, S.D.Bhole and D.L.Chen , 2014, Effect of zinc interlayer on

ultrasonic spot welded aluminum-to-copper joints : Materials Science & Engineering

A, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Ryerson University, 350

Victoria Street, Toronto, Ontario M5B 2K3, Canada

Wiryosumarto H., Okumura T. 2000. Teknologi Pengelasan Logam, cetakan kedelapan

Pradya Paramita, Jakarta