analisa truktur mikro dan sifat mekanik pada …eprints.ums.ac.id/68976/13/naskah publikasi...
TRANSCRIPT
ANALISA TRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK PADA
PENYAMBUNGAN PLAT BEDA MATERIAL (Al-Al) (Al-
CuZn) (Cu-Cu) DENGAN MENGGUNAKAN METODE
FRICTION STIR WELDING SINGLE SIDE
Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I
pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Oleh:
YULIYANTO
D200 100 119
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2018
1
ANALISA TRUKTUR MIKRO DAN SIFAT MEKANIK PADA
PENYAMBUNGAN PLAT BEDA MATERIAL (Al-Al) (Al-
CuZn) (Cu-Cu) DENGAN MENGGUNAKAN METODE
FRICTION STIR WELDING SINGLE SIDE
ABSTRAKSI
Friction Stir Welding (FSW). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk
mengetahui lebih jelas kekuatan tarik dari sambungan las Friction Stir Welding
(FSW) ) beda material dengan pengujian uji tarik, uji kekerasan vickers dan uji
struktur mikro. Pengelasan pada penelitian ini menggunakan Alumunium seri
1100, Kuningan dan paduan Tembaga dengan tebal 2mmParameter yang
digunakan adalah kecepatan putar spindle 1250 rpm, kecepatan pemakanan 12,5
mm/menit.Hasil pengelasan dianalisa dengan membandingkan kekuatan
sambungan las antara material beda jenis dengan material sejenis. Pengujian ini
menggunakan standar ASTM E8M untuk pengujian tarikASTM E384 untuk
pengujian kekerasan dan ASTM E3 pengujian struktur mikro. Hasil pengujian pada
pengelasan beda material Alumunium dengan Kuningan menunjukan tegangan
tarik maksimal sebesar 44,14 Mpa dan hasil regangan sebesar 0,67%. Untuk
material Alumunium dengan Alumunium nilai regangan sebesar 0,33% dan nilai
tegangan sebesar 43,19 Mpa, dan untuk material Tembaga dengan Tembaga hasil
nilai regangan sebesar 9,16%. Dan nilai tegangan sebesar 161,20 Mpa. Untuk
pengujian struktur mikro pada daerah Haz material Al-Al mengalami pengecilan
butir dan halus dibandingkan daerah Haz material AL-CuZn dan material Cu-Cu
mengalami pembesaran butiran. Pada daerah Stir Zone terjadi peningkatan yang
cukup signifikan disbanding daerah Haz dari material sejenis menunjukan
percampuran kedua logam di daerah Stir Zone, tetapi pada material bedajenis Al-
CuZnmengalamipatahanatauretakpadasaatpengelasan.
Kata kunci :FSW, AlumuniumdanKuningan, StrukturMikro, SifatMekanik.
ABSTRACK
Friction Stir Welding (FSW). The purpose of this research is to know
more clearly the tensile strength of the welding friction stir welding joint (FSW))
different material with tensile test, vickers hardness test and microstructure test.
The welding in this research use Alumunium 1100 series, Brass and Copper alloy
with 2mm thick. The parameters used are 1250 rpm spindle speed, 12.5 mm / minute
feeding speed. Welding results are analyzed by comparing the strength of welded
joints between different material types with similar materials. This test uses the
ASTM E8M standard for TENSON E384 testing for hardness testing and ASTM E3
microstructure testing. The results of the test on the welding of different materials
Alumunium with Brass shows the maximum tensile pressure of 44.14 Mpa and
strain results of 0.67%. For Alumunium material with Alumunium strain value of
0.33% and a voltage value of 43.19 Mpa, and for Copper material with Copper the
2
result of a strain value of 9.16%. And the voltage value is 161,20MPa. For
microstructure testing on Haz Al-Al material degradation of grain and smoother
than Haz-material AL-CuZn and Cu-Cu material having granular enlargement. In
the Stir Zone area there was a significant increase compared to the Haz area of
similar material showing the mixing of the two metals in the Stir Zone area, but on
different materials the type of Al-CuZn had broken or cracked during welding.
Keywords: FSW, Aluminum and Brass, Micro Structure, Mechanical Properties
1. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Dalam dunia industri manufaktu saat ini sering kita jumpai pembuatan
produk/komponen yang membutuhkan penyambungan material baik dibidang
otomotif, perkapalan, penerbangandan lain-lain. Dan pengelasan merupakan
salah satu metode penyambungan yang saat ini sering digunakan untuk
penyambungan material. Saat ini banyak industri manufaktur yang
mengembangkan teknik-teknik pengelasan untuk meningkatkan kualitas
produk dan memangkas biaya produksi.
Saat ini proses pengelasan logam diklasifikasikan menjadi dua
kelompok, yaitu: Liquid state welding (LSW), dan Solid state welding (SSW).
LSW adalah proses pengelasan logam yang dilakukan dalam keadaan cair,
sedangkan SSW merupakan proses las di mana pada saat pengelasan, logam
dalam keadaan padat.
Salah satu jenis metode Solid state welding (SSW) yaitu Friction stir
welding (FSW) merupakan proses penyambungan logam dengan
memanfaatkan energi panas yang diakibatkan karena gesekan yang terjadi
antara tool dan benda kerja yang akan disambung. Penyambungan ini terjadi
karena pengadukan dua sisi potongan logam yang mulai Melunak akibat
gesekan.(FSW) friction stir welding ditemukan dan dikembangkan oleh
Wayne Thomas pada tahun 1991 di (TWI)The Welding Institute Amerika
Serikat.FSW dapat diaplikasikan baik dibidang otomotif, perkapalan,
penerbangandan lain-lain.
3
1.2 Tujuan penelitian
Tujuan yang ingin didapatkan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Mengetahui perbandingan kekuatan tarik maksimal dan regangan hasil
pengelasan frition stir welding antara Al-Al,AL-KUNINGAN,TEMBAGA-
TEMBAGA dengan melakukan pengujian tarik.
2. Mengetahui perbandingan nilai kekerasan hasil pengelasan friciton stir
welding antara Al-Al,AL-KUNINGAN,TEMBAGA-TEMBAGA dengan
melakukan pengujian kekerasan.
3. Mengetahui perubahan struktur mikro hasil pengelasan friction stir welding
antara Al-Al,AL-KUNINGAN,TEMBAGA-TEMBAGA
4. Membandingkan sifat mekanik dan mikro struktur antara pengelasan friction
stir welding yang menggunakan 2 jenis material yang sama dengan 1 jenis
material yang berbeda
1.3 Kajian pustaka
Guo dkk(2013) menelitri tentang sifat mekanik dan struktur mikro
friction stir welding hasil penyambungan material antara alumunium seri 6061
dengan seri 7075. Guo menjelaskan hasil pencampuran material hasil
pengelasan jauh lebih efektif ketika alumunium seri 6061 ditempatkan pada
sisi advancing side. Terjadinya penurunan kekerasan pada hasil pengelasan
terutama daerah HAZ pada kedua material dibanding dengan base metal.
Muhammad reza (2011) ,menelti pengaruh parameter mesin terhadap
sifat mekanik material AC4CH dengan metode friction stir welding . variasi
parameter yang digunakan adalah putarantool,bentuk tool ,dan kemiringan
tool. Menyimpulkan bahwa metode friction stir welding dapat menghsilkan
sambungan yang sempurna. Dimana dengan feeding yang tetap putaran tool
semakin tinggi maka kekuatan tariknya semakin menurun. Tool dengan
bentuk pin silinder lurus mempunyai kecnderungan mempunyai kemkuatan
tarik rendah dibandingkan dengan silinder tirus dan ballnose. Apabila
4
semakin besar sudut tool makan semakin rendah kekuatan tariknya tetapi pada
sudut 0 hasil pengelasan tidak baik.
1.4 Landasan Teori
Pengelasan adalah proses penyambungan dua material atau lebih yang
menyatu pada permukaan material dengan menggunakan bantuan panas dan
atau tekanan
Friction stir welding merupakan salah satu jenis pengelasan solid state
welding (ssw) dimana pengelasan friction stir welding memanfaatkan
gesekan yang terjadiantara tool dan material yang akan disambung. Friction
stir welding pertama kali ditemukan oleh Wayne Thomas dari The Welding
Institute dari United Kingdom pada tahun 1991.
Gambar 1. sekema gambar friction stir welding ( Mishra,2014)
1.5 Pengujian tarik
Pengujian tarik merupakan salah satu jenis pengujian untuk mengetahui
sifat-sifat bahan. yaitu dengan memberikan beban tarik pada material hasil
pengelasan yang semakin lama semakin besar bebanya sehingga benda uju
menjadi patah. Dari pengujian ini akan didapat tegangan tarik, tegangan patah,
dan tegangan lebih. Bahan yang diuji dibentuk sesuai dengan standar yang
digunakan (wiryosumarto,1996).
5
Gambar 2. Gambar singkat uji tarik
Tegangan (σ )
σ = F/A...............................................................................................( 1 )
keterangan :
σ = tegangan tarik (N/mm2 atau Mpa ).
F = Beban yang diberikan ( N )
A = Luas dari penampang benda uji (mm2)
Regangan (𝜀 )
𝜀 = 𝐿−𝐿0
𝐿0𝑥 100 % ..............................................................................( 2 )
Keterangan :
𝜀= Regangan ( % )
𝑙= Panjang batang uji yang diberikan pembebanan (mm)
𝐿0 = Panjang batang uji mula-mula atau sebelum pembebanan ( mm )
Pada penelitian ini dalam melakukan pengujian tarik menggunakan standar
dari ASTM E8M.
6
1.6 Pengujian kekerasan (micro vikers)
Pengujian kekerasan dengan metode Micro Vickers bertujuan
menentukan kekerasan suatu material. Metode pengujian kekerasan Micro
Vickers dilaksanakan dengan cara menekan benda uji atau spesimen dengan
indentor yang berbentuk pyramid diamond dengan alas segi empat dan besar
sudut dari permukaan-permukaan yang berhadapan 136°. Penekanan oleh
indentor akan menghasilkan suatu jejak atau lekukan pada permukaan benda
uji berupa segi empat sama sisi.Diagonal segi empat dari jejak yang paling atas
diukur secara teliti untuk kemudian digunakan sebagai dasar perhitungan
kekerasan material yang diuji. Nilai kekerasan yang diperoleh dari hasil uji
disebut kekerasan vikers yang biasa disingkat dengan Vk atau HVN ( Hardness
Vickers Number ) .
Gambar 3. pengujian kekerasan Vickers (ASTM E284)
HVN = 2.𝑃.𝑆𝑖𝑛𝑧(
𝛼
2)
𝑑2 = 1,8544 x𝑃
𝑑2 ........................................... ( 3 )
Dimana
P = beban atau load (kgf)
d = diagonal rata-rata jarak indentor (mm)
𝛼 = Sudut muka indentor (136𝑜)
7
Pada penelitian ini dalam melakukan pengujian tarik menggunakan
standar dari ASTM E8.
1.7 Pengujian Struktur Mikro
Struktur bahan dalam orde kecil sering disebut struktur mikro. Struktur ini
tidak dapat dilihat dengan mata telanjang, tetapi harus menggunakan alat
pengamat struktur mikro. Penelitian ini menggunakan mikroskop cahaya.
Persiapan yang dilakukan sebelum mengamati struktur mikro adalah
pemontingan spesimen sesuai standar, pengampelasan spesimen, pemolesan
dan pengetsaan. Setelah spesimen uji dipotong ,bahan uji diratakan kedua
permukaannya dengan menggunakan ampelas dan kikir, proses perataan harus
selalu terjaga agar tidak timbul panas yang mempengaruhi struktu rmikro.
Setelah rata digosok dengan menggunakan ampelas mulai dari yang kasar
sampai yang halus. Setelah spesimen halus dan rata kemudian diberi autosol
untuk membersihkan noda yang menempel pada bahan. Langkah terakhir
sebelum dilihat struktur mikro adalah dengan mencelupkan spesimen kedalam
larutan etsa. Kemudian spesimen dicuci, dikeringkan dan dilihat stuktur
mikronya. Pada penelitian ini dalam melakukan pengujian Struktu rmikro
menggunakan standar dari ASTM E3.
2. METODE
2.1 Alat
Alat pegelasan : Las titik (RSW) tipe AC foot operate spot welding
Alat bantu : Alatukur, mesin potong, tang, gergaji potong, Vibrating
screener,cekam, kikir, stop watch, resin, catalys, ampelas,
kain bludru, hair dryer, cairan etsa.
8
Alat pengujian: Alat uji komposisi kimia (spectrometer),
Uji Tarik, micro hardness vickers, miskroskop mikro.
2.2 Bahan
Bahan penelitian: Material plat Aluminium, Kuningan, danTembaga paduan
2.3 Tempat penelitian
Tempat penelitian: Laboratorium Material Politeknik Manufaktur Ceper.
Laboratorium UNDIP, Laboratorium produksi Teknik
Mesin UMS, Laboratorium Teckno Pack Solo.
Laboratorium Balai Besar Pelatihan Surakarta.
9
2.4 Diagram Alir Penelitian
Percobaan pengelasan dengan metode FSW dilakukan melalui beberapa
tahap,dimana tahapan dapat dilihat pada diagram alirdibawahini:
Gambar 4. Diagram AlirPenelitian
Mulai
StudipustakadanStudiLapangan
PersiapanBahandanAlat
Proses Pengelasan
MaterialCu-Cu Material AL-
AL Material Al-CuZn
PembuatanSpesimenPengujian
UjiKekerasan
(ASTM E384)
HasilPengujian
AnalisadanPembahasan
Kesimpulan
Selesai
UjiTarik
(ASTM E8M)
UjiStrukturMikro
(ASTM E3)
Mulai
StudipustakadanStudiLapangan
PersiapanBahandanAlat
Proses Pengelasan
MaterialCu-Cu Material AL-
AL Material Al-CuZn
Pembuatan Spesimen Pengujian
UjiKekerasan
(ASTM E384)
HasilPengujian
AnalisadanPembahasan
Kesimpulan
Selesai
UjiTarik
(ASTM E8M)
UjiStrukturMikro
(ASTM E3)
10
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Pengujian Tarik
Tabel 1. HasilPengujian Tarik Regangan
Material L₀
(mm)
Regangan (%)
∆L (mm)
Rata rata ɛ (%)
F1 F2 F1 F2
Al-Al 32 0,18 0,03 0,56 0,09 0,33
Al-Cuzn 32 0,2 0,23 0,63 0,72 0,67
Cu-Cu 32 5,65 0,21 17,66 0,66 9,16
BM Al 32 0,57 0,39 1,78 1,22 1,50
BM Cu 32 9,96 12,03 31,13 37,59 34,36
BM Cuzn 32 8,15 11,23 25,47 35,09 30,28
3.1.1 Regangan (Strain)
Gambar 5 Hasil Perbandingan Regangan
Grafik regangan diatas menunjukan bahwa nilai regangan pada material
Cu-Cu dengan menggunakan temperatur 250°C nilai rata rata 9,16 %
mengalami peningkatan dibandingan pengelasan Al-Al,Al-CuZn Nilai
0,33 1,5
34,3630,28
9,16
0,670
5
10
15
20
25
30
35
40
Al-Al CU-CU Al-Cuzn BM AL BM CU BMCuzn
Reg
anga
n (
%)
Material
Regangan
AL-AL
CU-CU
Al-Cuzn
11
regangan material Al-Al nilai rata-rata 0,33% pada temperatur 70°C dan
material Al-CuZn nilai rata –rata 0,67% dengan temperature 150°
3.1.2. Tegangan( Ultimate Tensile Strength)
Tabel 2. Hasil Pengujian Tarik Tegangan
Material A₀
(𝑚𝑚2)
Maxsimum Load (N)
Ultimate tensile Streng ơ (Mpa) rata rata
F1 F2 F1 F2
Al-Al 9,6 716,81 112,44 74,67 11,71 43,19
Al-CuZn 9,6 382,58 464,94 39,85 48,43 44,14
Cu-Cu 9,6 2073,79 1021,2 216,02 106,38 161,20
BM Al 9,6 1409,03 1265,17 146,77 131,79 139,28
BM Cu 9,6 2221,17 2493,4 231,37 259,73 245,55
BM Cuzn 9,6 3962,33 4577,64 412,74 476,84 444,79
Gambar 6 .Hasil Perbandingan Tegangan
Grafik hasil uji tarik pada material berbeda properties Al-Al,Al-
CuZn,Cu-Cu,material Al-Al menunjukan dimana nilai kekuatan tarik rata-rata
43,19 Mpa. Pada pengelasaan material Al-CuZn menunjukan nilai
43,19
139,28
245,55
444,79
44,14
161,2
0
100
200
300
400
500
Al-Al Al-CuZn Cu-Cu BM AL BM CU BM Cuzn
Tega
nga
n (
Mp
a)
Material
Tegangan
Al-Al
Al-CuZn
Cu-Cu
12
kekuatan tarik sebesar 44,14 Mpa dan material Cu-Cu menunjukan nilai rata
rata sebesar 161,20 Mpa
3.2 KEKERASAN
Table 3. Hasil pengujian kekerasan (HVN)
Material Base Metal
HAZ Stir
Zone HAZ
Base Metal
Al-Al 48,3 51,10 71,50 50,53 48,43
Cu-Cu 79,16 70,40 101,63 71,03 74,66
Al-CuZn 49,07 51,37 82,93 74,77 73,30
Gambar 7 Grafik Kekerasan
Dari grafik hasil pengujian kekerasan menunjukkan bahwanilai
kekerasan cukup signifikan di daerah Stir Zone, dibandingkan dengan nila
ikekerasan Base Metal dan Haz. Hal ini terjadi dikarenakan Stir Zone
terdampak langsung oleh panas yang di hasilkan saat pengelasan dan
penekanan dari tool join.
3.3 Struktur Mikro
1. Pengelasan Al-Al
0
50
100
150
BaseMetal
HAZ StirZone
HAZ BaseMetal
HV
N
Chart Title
Al-Al
Cu-Cu
Al-CuZn
13
Gambar 8. Base metal Al Gambar 9. Haz Al
Gambar 10. Stir Zone Al
Base metal adalah daerah yang tidak terpengaruh pengelasan baik itu
panas maupun adukan yang ditimbulkan saat pengelasan, partikel partikel
hitam merata pada Base Metal alumunium adalah FeAl3.
Daerah HAZ adalah adalah daerah yang mengalami siklus termal tetapi
tidak mengalami deformasi plastis. Pada daerah ini juga terjadi perubahan
struktur mikro.Pada daerah Haz pengelasan Al-Al mempunyai ukuran butir
yang kecil Dan lebih halus.
Stir Zone adalah daerah yang terdampak oleh panas yang dihasilkan saat
pengelasan dan juga daerah yang terdeformasi akibat proses pengadukan dari
pintool joint. Pada daerah Stir Zone terjadi grain refinement, maksudnya
adalahdaerah yang mengalami deformasi plastis dan pemanasan selama proses
FSW sehingga menghasilkan rekrstalisasi yang menghasilkan butiran halus di
daerah pengadukan
14
2. Pengelasan Al-CuZn
Gambar 11 Base Metal CuZn Gambar 12. Haz Al-Cuzn
Gambar 13. Stir Zone Al-CuZn
Pada pengelasan Friction Stir Wellding,menurut ASM ( Hand Book
Metalorgrapy Microstructure ) (Vol9) Base Metal Kuningan partikel hitam
Dan butiran persegi adalah Cu2O. Al-CuZn terlihat ada patahan.
3. Pengelasan Cu-Cu
Gambar 14. Base Metal Cu Gambar 15. Haz Cu-Cu
15
Gambar 16 Stir Zone Cu-Cu
Base metal adalah daerah yang tidak terpengaruh pengelasan baik itu
panas maupun adukan yang ditimbulkan saat pengelasan. Base metal Tembaga
pada partikel hitam Dan butiran persegi adalah Cu2O.
Pada pengelasan Friction Stir Wellding, material pengelasan Cu-Cu
terlihat butiran – butirannya lebihh alus Dan bercampur, dengan ini bahwa
deformas plastis telah terjadi pada saat pengelasan.
4. PENUTUP
4.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan analisa data dapat diambil beberapa
kesimpulan antara lain:
1. Kekuatan tarik maksimal dari hasil pengelasan beda material AL-CuZn
adalah 44,14 MPa.Sedangkan nilai regangannya adalah 0,72%.
2. Nilai kekerasan pada daerah pengelasan beda material adalah nilai
kekerasan tertinggi 135,1 HV di daerah Stir Zone,sedangkan nilai
kekerasan terendah 31,5 di daerah Haz.
3. Struktur mikro pada pengelasan diketahui mengalami perubahan besaran
butiran di daerah Stir Zone lebih halus.Dibandingkan diaerah HAZdan
16
Base Metal mengalami pengecilan butiran.Hal ini terjadi akibat pengaruh
adukan tool joint dan panas saat proses pengelasan.
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 Tool joint perlu dicek keausan (deformasi)
secara berkala setelah pengelasan untuk mendapatkan hasil pengelasan yang
maksimal.
DAFTAR PUSTAKA
American Society for Testing and Materials, 2001, Standard Guide for Preparation
of Metallographic Specimens, ASTM, E3-01.
American Society for Testing and Materials, 2002, Standard Test Methods for
Microindentation Hardness of Material, ASTM, E384-99.
American Society for Testing and Materials, 2003, Standard Test Methods for
Tension Testing of Metallic Material, ASTM, E8M-04
Deng, K., Grondin, G. Y., dan Driver, R. G., 2003, Effect of Loading Angle on The
Behaviour of Fillet Welds.
Rajakumar, S., dan Balasubramanian, V., 2012, Correlation between weld nugget
grain size, weld nugget hardness and tensile strength of friction stir welded
commercial grade aluminium alloy joints
17
Wijayanto, J., dan Anelis, A., 2010, Pengaruh Feed Rate terhadap Sifat Mekanik
pada Pengelasan Friction Stir Welding Aluminium 6110, Akprind,
Yogyakarta.
Siramulya, 2015, Karakteristik dan Pengelasan Friction Stir Welding Material
tembaga
Zhang, 2014, Studi Mikro dan Sifat Mekanik Pengelasan Friction Stir Welding
Beda Material Alumunium Dan Tembaga
Mishra, R.S., Kumar, N., dan De, P.S., 2014, Friction stir welding and
Processing: Science and Engineering, Springer International, Swiss.