aisyah nur afianti skripsi ft naskah ringkas 2016

7/24/2019 Aisyah Nur Afianti Skripsi FT Naskah Ringkas 2016

1/23

Analisis Pengaruh Variabel Geometri Pin Tool Terhadap Mikrostruktur

dan Sifat Mekanik Sambungan Dissimi lar F ri ction Stir Welding(FSW)

Aluminium A5052 dan Tembaga

Prof. Dr. Ir. Winarto, M.Sc., Dr. Ir. Rini Riastuti, M.Sc., Prof. Dr. Ir. Sutopo, M.Sc., AisyahNur Afianti

Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok,

Depok, 16436, Indonesia

Email:[email protected];[email protected]

Abstrak

Aluminium dan tembaga telah umum digunakan di industri, terutama industri elektronik.

Namun biasanya penyambungan aluminium dan tembaga masih dilakukan dengan brazingataupun cladding. Friction stir welding (FSW) menawarkan proses penyambungan dengan

hasil yang lebih baik karena tidak terjadi perubahan mikrostruktur akibat panas dari

pengelasan. Perbedaan geometri pin tool disinyalir akan memberikan perbedaan pada

mikrostruktur dan sifat mekaniknya, maka Al 5052 danpure wroughtCu disambung dengan

FSW menggunakan geometripin tool tapered cylindricaldan threaded cylindrical. Kemudian

makro dan mikrostrukturnya diamati dengan mikroskop optik dan SEM, serta sifat

mekaniknya diuji dengan pengujian tarik dan keras. Pada kedua hasil sambungan, di struktur

mikronya terbentuk senyawa intermetalik Al-Cu dan struktur komposit. Berdasarkan sifat

mekaniknya, secara umum dengan menggunakan pin tool tapered cylindrical akan

menghasilkan sambungan yang lebih baik.

Analysis of the Effect of Tool Pin Geometry Variable to Microstructure and Mechanical

Properties from Dissimilar Friction Stir Welding (FSW) Joint of A5052 Aluminum and

Copper

Abstract

Aluminum and copper has been widely used in industry, especially in electronic industry. But mostly,the joining of Al-Cu is produced by brazing and cladding. Friction stir welding offer a newer andbetter joint because it doesnt change the microstructuredue to welding process heat. The difference oftool pin geometry will provide a differences in microstructure and mechanical properties of the joint,so 5052 series of Al and pure wrought Cu are joined by FSW process with tapered cylindrical andthreaded cylindrical tool pin. Then its microstructure was observed with an optical microscope andSEM, as well as its mechanical properties are tested by tensile test and hardness test. Themicrostructure formed Al-Cu intermetallic compounds and composite structures. Based on itsmechanical properties, generally the joint by using tapered cylindrical tool pin produces a better result.

Keywords: FSW, Al, Cu, tapered cylindrical, threaded cylindrical.
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


2/23

1. Pendahuluan

Friction Stir Welding (FSW) adalah salah satu jenis pengelasan solid state yang

pertama kali ditemukan dan dipatenkan oleh Wayne Thomas dari The Welding Institute

(TWI) pada tahun 1991. Dewasa ini, metode FSW menjadi fokus utama pengembangan

terutama di aplikasi industrial karena potensinya yang dapat menyambung dua material yang

sangat sulit untuk disambung dengan metode penyambungan konvensional karena sifat

mekaniknya yang jauh berbeda seperti aluminium dan tembaga(1).

Karena salah satu keuntungan dari metode FSW adalah tidak mempengaruhi

mikrostruktur hasil lasannya sehingga dengan demikian tidak terlalu mengurangi sifat

mekanisnya, maka metode ini dipakai dalam ruang lingkup yang luas. Beberapa lingkup

bidang yang telah mengaplikasikan metode FSW antara lain industri kelautan sepertiperkapalan, industri otomotif seperti pembuatan sasis mobil, industri penerbangan dan

aeronautika, industri konstruksi dan perpipaan serta industri elektronik.

FSW memiliki beberapa keunggulan dibanding dengan proses pengelasan pada

umumnya, salah satunya adalah mikrostruktur hasil lasannya tidak terlalu terpengaruh panas

lasan. Beberapa keunggulan lain dari proses pengelasan dengan metode FSW adalah:

1. Sifat mekanik yang baik karena mikrostrukturnya tidak terpengaruh panas las.

2. Deformasi minimum sehingga meminimalisir pula cacat yang mungkin terbentuk.

3.

Tidak bersifat consummable(karena tidak memerlukan kawat las ataufiller metal).

4. Aplikasinya mudah dan dapat dilakukan dalam segala kondisi serta posisi.

5. Dampak terhadap lingkungan rendah karena tidak ada pencemaran akibat efek samping

dari proses, hasil dan sisa pengelasan.

6. Kekuatan las yang superior.

Penyambungan logam dengan metode FSW secara teori dapat menyambung dua

logam yang berbeda (dissimilar friction stir welding), namun meskipun telah dilakukan

berbagai percobaan dan penelitian terutama untuk penyambungan aluminium dan tembaga,

masih dibutuhkan analisis yang lebih mendalam terhadap perubahan struktur mikro dan sifat

mekanik dari hasil lasannya karena hingga saat ini belum dicapai penyambungan dissimilar

yang benar-benar berhasil (1). Penggunaan kombinasi dua jenis material logam non-ferro

seperti aluminium dan tembaga banyak sekali diaplikasikan untuk bidang elektronika, seperti

pada terminal kabel (bimetal terminal cable) pada kabel frekuensi tinggi dan sebagai plate

conjuction atau connector pada kabel transformator (trafo) dan lain-lain. Sejauh ini, untuk

mengaplikasikannya kombinasi kedua material tersebut disambung dengan menggunakan


3/23

proses brazing yaitu penyambungan logam dengan menggunakan logam pengisi dimana

biasanya logam pengisi mempunyai titik cair yang lebih rendah dari logam yang akan

disolder, atau cladding yaitu penekanan logam pada temperatur tinggi agar kedua logam

tersambung.

Dikarenakan aluminium merupakan jenis logam yang mudah teroksidasi pada suhu

tinggi dan menimbulkan retak las (welding crack) jika dilakukan pengelasan, maka sebagian

berpendapat mustahil jika aluminium dan tembaga disambung dengan teknik pengelasan.

Namun menurut teori, penggunaan teknik FSW pada material logam yang berbeda jenis dapat

menghasilkan sambungan yang lebih kuat dan efisiensi energi yang lebih baik, karena proses

pengelasan FSW pada prosesnya hanya memerlukan energi panas dari gaya gesek yang

dihasilkan.

Gambar 1.Kombinasi logam aluminium dan tembaga untuk aplikasi bidang elektronika

2. Dasar Teori

2.1. Prinsip Kerja Fri ction Stir Welding(FSW)

Pengembangan metode ini berubah secara signifikan dari gerak putaran konvensional

dan gesekan linier yang saling berbalasan menjadi penyambungan dua buah material dengan

media gesek berupa perkakas las atau toolsdari material logam keras. Konsep dasar dari FSW

sebenarnya cukup sederhana, dimana unconsummable rotating tooldengan pindan shoulderyang telah dirancang khusus ditempatkan di bagian yang ingin disambungkan, kemudian

dijalankan di sepanjang jalur penyambungan (5). Proses FSW melibatkan pembentukan

sambungan dibawah temperatur melting dari logam induk. Panas yang dihasilkan didaerah

lasan biasanya sekitar 80-90% dari titik lebur logam induk. Panas yang dibutuhkan untuk

menyambung material didapat darishoulderdanprobedari toolyang berputar dan mengalami

gaya gesek sehingga menghasilkan energi panas. Panas yang dihasilkan dari pengadukan

mekanik ini akan menyebabkan logam yang diaduk melunak tanpa melewati titik leburnya,

hal ini lah yang memungkinkan toolpengelasan bisa bergerak di sepanjang jalur pengelasan.


4/23

Selama pin tool bergerak di sepanjang jalur pengelasan, permukaaan depan pin akan

memberikan gaya dorong plastis terhadap logam ke arah belakang pin sambil memberikan

gaya tempa yang kuat untuk mengkonsolidasikan logam las.

Gambar 3. Mekanisme FSW(5)

2.2. Daerah Lasan FSW

Struktur mikro hasil friction stir welding terdiri dari tiga bagian, yaitu daerah adukan

(stir zone), bagian terpengaruh panas secara termomekanik (thermomechanical affected zone)

dan bagian terpengaruh panas (heat affected zone). Pada daerah adukan (stir zone), daerah ini

mengalami laju tegangan dan regangan tertinggi serta temperatur yang tinggi. Kombinasi ini

menyebabkan pada daerah ini terjadi rekristalisasi dinamik, dimana butir pada daerah ini

berbentuk equiaxed dan umumnya berukuran lebih kecil dibandingkan parent material.

Disamping itu, daerah ini juga merupakan daerah yang terdeformasi dengan kuat, dimana

struktur mikro di stir zonesangat tergantung pada bentuk perkakas las, kecepatan rotasi dan

translasi, tekanan dan karakteristik bahan yang akan disambung. Yang unik, pada beberapa

hasil lasan terdapat fenomena onion ring di daerah ini karena terbentuk struktur seperti

cincin-cincin konsentris.

Sedangkan pada daerah yang terpengaruh panas secara termomekanik

(thermomechanical affcted zone) terjadi difusi atomik akibat terjadi deformasi plastis yang

juga kuat dan temperatur gesekan yang juga tinggi. Pada aluminium, panas akibat gesekan

memungkinkan terjadinya regangan plastis namun tanpa adanya proses rekristalisasi. Selain

itu, pada daerah ini juga terjadi pengkasaran dari presipitat. Kemudian untuk daerah

terpengaruh panas (heat affected zone), daerah ini termasuk ke dalam siklus termal pengelasan

namun tidak mengalami deformasi. Daerah ini umum terbentuk di semua hasil lasan, namun

pada metodefriction stir weldingpanas dari gesekan hanya menumbuhkan butir-butir saja(8).


5/23

Gambar 4.Daerah yang mengalami perubahan struktur mikro hasilfriction stir welding(8)

2.3. Desain ToolsFSW

Pada proses FSW, bentuk geometri toolmemberi pengaruh yang sangat signifikan pada

sifat mekanik hasil pengelasan(11). Bentuk geometri memberikan pemanasan setempat (in-situ

heating), pengadukan logam induk, dan membentuk sambungan dimana pin tool dengan

shoulder menentukan aliran material ketika logam diaduk dan panas yang dihasilkan

menghilangkan tegangan yang terdapat pada material (12).FSW dapat dilakukan dengan tool

dengan bentuk geometri yang sederhana untuk memperoleh sifat mekanik yang baik. Desain

toolyang terbaru menghasilkan aliran material yang intensif pada bagian adukan (stir zone)

dan menghasilkan kualitas lasan yang lebih baik(13).

Untuk mendapatkan hasil las yang optimal, bahan dan bentuk punggung serta pin

didesain sedemikian rupa. Bahan perkakas las yang digunakan tergantung kepada logam yang

akan disambung. Perkakas las berbahan seperti baja kecepatan tinggi (HSS), baja perkakas

H13, dan D3 digunakan untuk menyambung logam aluminium, magnesium dan tembaga.

Sedangkan paduan tungsten seperti tungsten karbida (WC), tungsten rehenium (W-25%Re)

danpolycrystal cubic boron nitrate(PCBN) digunakan untuk menyambung logam yang lebih

keras seperti baja, nikel dan titanium. Bentuk perkakas las juga bervariasi seperti punggung

rata, bergelombang dan mangkok terbalik dikombinasikan dengan pin berbentuk silinder,

kerucut dan oval dengan permukaan rata, ulir dan kombinasinya.

Gambar 6. Bentuk geometri dasar pin tools FSW(11)

.


6/23

2.4. Aluminium

Berabad-abad yang lalu, aluminium telah diidentifikasi sebagai logam yang paling

umum ditemukan di bumi, terbentuk sebanyak 8% dari kerak bumi. Namun, baru pada tahun

1808 seorang electrochemist dari Inggris yang bernama Sir Humphrey Davy mematenkan

keberadaan aluminium. Secara umum, sifat-sifat aluminium yang paling unggul adalah logam

ini ringan, memiliki ketahanan korosi yang sangat baik, memiliki hantaran listrik yang baik

serta memiliki sifat mampu bentuk dimana aluminium dan paduannya dapat dikerjakan baik

dalam pengerjaan dingin (cold-working) maupun pengerjaan panas. Penggunaan logam ini di

industri sangat luas, mulai dari industri peralatan rumah tangga, pesawat terbang, mobil,

konstruksi dan lain sebagainya.

Aluminium, seperti juga tembaga, perak dan emas, terkristalisasi dengan membentuksusunan atom face-centered cubic (FCC), susunan yang umum untuk logam-logam lunak.

Aluminium memiliki berat atom 26.98 danspecific gravity2.70, kira-kira sepertiga dari berat

baja yang biasanya digunakan di industri, kecuali untuk logam titanium dan magnesium yang

lebih ringan. Berdasarkan International Annealed Copper Standard (IACS), konduktivitas

elektrik dari alumunium 99.99% murni di suhu 20o C adalah 63.8%. Aluminium dan

paduannya hanya sedikit memiliki sifat paramagnetik, dimana derajat magnetisasi aluminium

99.99% murni hanya sebesar 0.623 x 10-6. Konduktivitas termal () aluminium 99.99% murni

adalah 244 W/mK di rentang suhu 0-100C, atau menurut IACS adalah sebesar 61.9%. Suhu

lebur aluminium sangat bergantung pada kemurnian aluminium, sebagai contoh titik lebur

aluminium 99.99% murni dalam tekanan atmosfer ada pada 660C, namun akan turun ke titik

635C pada aluminium komersil 99.5% murni.

2.5. Tembaga

Tembaga merupakan salah satu logam non-polymorphus dan nonmagnetik yang

memiliki struktur kristal Face-centered Cubic (FCC). Tembaga juga dikenal karena warna-

warnanya yang indah tergantung dari penambahan unsur paduannya. Tembaga murni

umumnya berwarna merah kecoklatan, penambahan seng akan membuat warnanya menjadi

kekuningan dan penambahan nikel akan membuat warnanya menjadi keperakan. Temperatur

lebur tembaga berada pada titik 1083C dan berat jenisnya sebesar 8900 kg/m3, yang berarti

tiga kali lebih berat dibandingkan dengan aluminium. Konduktivitas listrik dan panas tembaga

lebih rendah jika dibandingkan dengan perak, namun 1.5x lipat lebih tinggi dibandingkan

dengan aluminium. Konduktivitas tembaga berdasarkan standar dari IACS adalah sebesar 58


7/23

ms/s, dan penambahan unsur paduan ke dalam tembaga murni akan menurunkan

konduktivitasnya. Tembaga murni hampir tidak dapat ditemukan di alam, biasanya

didapatkan dari ore seperti chalcopyrite (CuFeS2), azurite (Cu3[OH-CO3]2) dan malachite

(Cu2[OH-CO3]2).

Sifat mekanik tembaga ditentukan oleh lattice structurenya, namun secara umum

tembaga memiliki formability yang baik dan ketangguhan yang cukup tinggi baik di suhu

ruang maupun jika suhunya diturunkan, sedangkan menaikkan temperatur operasi tembaga

secara berkala akan menurunkan kekuatannya dan pada suhu sekitar 500C sifat plastis

tembaga juga menurun. Oleh karena itu, jika ingin memberi perlakuan cold formingatau hot

forming, suhu yang pas untuk tembaga adalah di sekitar 800-900C. Dalam kondisi as-cast,

kekuatan tembaga adalah sebesar 160 MPa, dimana proses hot rolling akan meningkatkan

kekuatannya hingga 220 MPa. Tembaga juga mempunyai keuletan yang baik dan dengan

memberi perlakukan cold deformationmaka kekuatan dan ketangguhannya akan naik hingga

mendekati kekuatan dan ketangguhan dari baja lunak. Karena sifatnya yang cukup tangguh,

tembaga memiliki sifat mudah untuk difabrikasi dan machinabilitynya baik. Tembaga juga

bisa diwelding, brazingdansoldering.

3. Metodologi Penelitian

Penelitian ini merupakan simulasi friction stir weldingbeda logam antara aluminium

paduan 5052 dengan tembaga murni untuk mengetahui pengaruh dari variabel perbedaan

geometri pin tool terhadap mikrostruktur dan sifat mekaniknya. Geometri pin tool yang

digunakan adalah tapered cylindrical (silinder kerucut) dan threaded cylindrical (silinder

berulir) dimana pin tool-pin tool tersebut dibuat dari baja HSS dengan mengunakan mesin

bubut. Sedangkan untuk sampelnya sendiri, kedua material yaitu Al 5052 dan pure wrought

Cu dipotong dengan ukuran dimensi panjang = 120 mm, lebar 50 mm dan tebal = 6 mm.

Untuk pengelasan digunakan mesin millingkonvensional sebagai mesin pemutar tool las di

PT. Indah Kiat Pulp & Paper Tangerang dan Puslitsat LAPAN Bogor yang memiliki

kecepatan putar spindlemaksimum 2800 rpm, pergerakan meja mesin terdiri dari 3 sumbu

gerak dan memiliki sudut kemiringan chuck (pemegang). Suhu pengelasan berkisar antara

324.1479.0C.


8/23

Tabel 1.Parameter pengelasan dissimilarFSW Al dan Cu

Variabel Parameter Besaran

Pin tools Taper

Cylindrical

Kecepatan putar (rotational speed) 2800 rpm

Sudut kemiringan (tilting angle) 1 deg

Pin tools Threaded

Cylindrical Kecepatan pengelasan (welding speed) 2 mm/detik

Material hasil pengelasan kemudian didinginkan secara perlahan dan dipotong secara

melintang (cross section) untuk kemudian diamati secara metalografi dan diuji sifat

mekanisnya. Pengamatan metalografi meliputi pengamatan dengan mikroskop optik untuk

melihat makrostrukturnya, dengan SEM untuk melihat mikrostrukturnya, dengan EDX untuk

mengetahui komposisi kimia pada bagian sambungan dan dengan XRD untuk mengetahui

senyawa intermetalik yang terbentuk dari pengelasan. Seluruh pengujian metalografi

dilakukan di Center for Metal Processing and Failure Analysis (CMPFA), Departemen

Teknik Metalurgi dan Material UI, Depok. Sedangkan untuk menganalisis sifat mekanik,

dilakukan pengujian kekuatan tarik, dimana nanti grafik tegangan-regangan yang dihasilkan

dikonversi menjadi kekuatan tarik dan pengujian kekerasan dengan menggunakan metode

Vickers yang indentornya berbentuk kerucut bersudut 136. Kedua pengujian dilakukan di

Laboratorium Metalurgi Fisik dengan bantuan CMPFA, Departemen Teknik Metalurgi dan

Material UI, Depok.


9/23

4. Hasil Penelitian

4.1. Tampak Atas Hasil Lasan

Gambar 7.Hasil lasan dissimilarFSW (a) geometripin tools tapered cylindrical, (b) geometripin tools

threaded cylindrical.

4.2. Hasil Pengamatan dengan Mikroskop Optik

Gambar 8.Struktur makro penampang melintang hasil lasan dissimilarFSW perbesaran 8X (a) geometripin

tools tapered cylindrical, (b) geometripin tools threaded cylindrical.

4 cm(a)

4 cm(b)

a

b

6 cm

6 cm


10/23

Gambar 9.Struktur mikro dari mikroskop optic di bagianstir zone/nuggetmenggunakanpin tool tapered

cylindrical(a) perbesaran 50X, (b) perbesaran 500X, dan menggunakanpin tool threaded cylindrical(c)

perbesaran 50X, (d) perbesaran 500X.

4.3. Hasil Pengamatan dengan SEM

Stir Zone

A B


11/23

Gambar 10.Struktur mikro dari SEM bagianstir zone/nuggetdenganpin tool tapered cylindrical(a)

perbesaran 100X, (b) perbesaran 2000X bagian A, denganpin tool threaded cylindrical(c) perbesaran

100X, (d) perbesaran 2000X bagian B. Thermomechanically Affected Zone (TMAZ)& Interface

C D

A B

C D


12/23

Gambar 11.Struktur mikro dari SEM bagian interface dan TMAZ denganpin tool tapered

cylindrical(a) perbesaran 500X, (b) perbesaran 5000X bagian C dan denganpin tool threaded

cylindrical(c) perbesaran 100X di dekat logam induk Al, (d) perbesaran 2000X bagian D, (e)

perbesaran 100X di dekat logam induk Cu, (f) perbesaran 2000X bagian E.

Heat Affected Zone (HAZ)

Gambar 4.12Struktur mikro dari SEM bagian HAZ denganpin tool tapered cylindrical(a)perbesaran 2000X , (b) perbesaran 5000X bagian F dan threaded cylindrical(c) perbesaran 100X,

(d) perbesaran 2000X bagian G

E F

A B

C D


13/23

4.4. Hasil EDX

Gambar 13.Hasil EDS di bagianstir zone/nuggetdengan menggunakanpin tool tapered

cylindrical (atas) danpin tool threaded cylindrical (bawah).

4.5. Hasil XRD

Tapered Cylindrical

Tabel 2. Daftarpatternhasil XRD senyawa intermetalik yang terdapat pada daerahstir zonemenggunakanpin

tool tapered cylindrical.

Visible Ref. Code Score CompoundName

Displacement[2Th.]

Scale Factor ChemicalFormula

* 03-065-2869 53 Aluminum 0.000 0.543 Al* 00-001-1153 21 Copper

AluminumOxide

0.000 0.039 Cu Al2 O4

* 00-002-1309 12 Aluminum

Copper

0.000 0.031 Al2 Cu

* 03-065-1855 10 AluminumCopper

0.000 0.054 Al4 Cu9

* 01-076-2295 9 Dialuminiumcopper oxide

0.000 0.191 Al2 Cu O4

Element Wt% At%

AlK 45.58 66.35

CuK 54.42 33.65

Matrix Correction ZAF


14/23

Gambar 14.Patternsenyawa intermetalik hasil XRD pada bagianstir zonemenggunakanpin tool tapered

cylindrical.

Tabel 3. Daftarpatternhasil XRD senyawa intermetalik yang terdapat pada daerahstir zonemenggunakanpintool threaded cylindrical.

Visible Ref. Code Score Compound

Name

Displacement

[2Th.]

Scale Factor Chemical

Formula

* 03-065-2869 48 Aluminum 0.000 0.528 Al* 01-076-2295 8 Dialuminium

copper oxide0.000 0.156 Al2 Cu O4


0.000 0.026 Cu9 Al4

* 00-001-1153 8 CopperAluminum

Oxide

0.000 0.041 Cu Al2 O4


0.000 0.054 Al2 Cu

Gambar 15.Patternsenyawa intermetalik hasil XRD pada bagianstir zonemenggunakanpin tool threaded

cylindrical.


15/23

4.6. Hasil Pengujian Kekerasan

Tabel 4. Nilai kekerasan Vickers (HVN) pada 7 titik daerah lasan dissimilar FSW

PinT

oolTapered

Cylindr

ical Jejak Daerah lasan Kekerasan (HVN)

1 Logam indukAl 82

2 HAZ Al 284

3 TMAZ Al 274

4 Stir Zone 395

5 TMAZ Cu 474

6 HAZ Cu 339

7 Logam indukCu 132

PinT

oolThreaded

Cylin

drica

Jejak Daerah lasan Kekerasan (HVN)

1 Logam indukAl 62

2 HAZ Al 64

3 TMAZ Al 257

4 Stir Zone 347

5 TMAZ Cu 661

6 HAZ Cu 628

7 Logam indukCu 165

4.7.

Hasil Pengujian Kekuatan Tarik

Tabel 5.Nilai kekuatan tarik (MPa) pada hasil lasan dissimilar FSW

Variabel dissmilar FSW Kekuatan Tarik(MPa)

Daerah patah /fracture

Pin tool tapered cylindrical 165 HAZ Al

Pin tool threaded

cylindrical

52 HAZ Al


16/23

Gambar 16.Grafik tegangan-regangan hasil uji tarik menggunakan (a)pin tool tapered cylindrical, (b)pin tool

threaded cylindrical

5. Pembahasan

5.1. Makrostruktur dan Mikrostruktur Hasil Lasan

Dari Gambar 7, dapat dilihat bahwa hasil fisik lasan baik dengan pin tool tapered

cylindricalmaupun threaded cylindrical tidak berbeda jauh. Perbedaan hanya terlihat pada

weld pass hasil sambungan dengan menggunakan tapered cylindrical yang lebih rapi dan

menjorok ke dalam. Sedangkan pada Gambar 8 dapat dilihat perbandingan penampang

melintang hasil sambungan dissimilarFSW denganpin tool tapered cylindricaldan threaded

cylindrical. Hasil sambungan dengan menggunakan pin tool tapered cylindrical terlihat

membentuk kerucut sesuai dengan geometripin toolnya dan sesuai dengan arah adukan, yaitu

dari arah logam induk Al menuju logam induk Cu. Sedangkan hasil sambungan dengan

menggunakan pin tool threaded cylindrical lebih melebar dan lebih merata. Perbedaan ini

disebabkan pin tool threaded cylindricalmemiliki ulir-ulir yang menyebabkan daerah yang

teraduk lebih luas ketika proses pengelasan berlangsung. Namun sebagaimana terlihat pada

Gambar 8, hasil sambungan dengan tapered cylindrical penetrasinya kurang dan tidak

menutupi semua bagian material yang ingin disambungkan bila dibandingkan dengan hasil

sambungan dengan menggunakan threaded cylindrical. Hal ini disebabkan karena sudut

kerucutpin tool tapered cylindricalyang digunakan pada penelitian ini terlalu lebar dan tidak

sebanding dengan kecepatan putarannya sehingga penetrasinya tidak maksimal, sedangkan

pin tool threaded cylindrical menghasilkan pengadukan yang lebih merata. Meskipun

demikian, padastir zonehasil sambungan dengan pin tool threaded cylindricalterdapat voidatau porositas yang cukup besar pada bagian bawah stir zone. Hal ini disebabkan karena

A B


17/23

adanya ulir-ulir padapin probesehingga luasnya daerah material yang teraduk menyebabkan

gas-gas pengotor seperti hidrogen menjadi lebih mudah masuk dan terperangkap di dalam,

sedangkan sepanjang proses pengelasan tidak digunakanshielding gas.

Dari perbandingan Gambar 9, terlihat bahwa pada hasil sambungan menggunakan pin

tool tapered cylindrical terdapat bagian-bagian yang berwarna kekuningan (berbeda dengan

warna logam induk Al maupun Cu) yang diidentifikasi sebagai senyawa intermetalik Al-Cu,

sedangkan dengan menggunakanpin tool threaded cylindricalsenyawa intermetaliknya tidak

mengumpul dan tersebar merata menjadi butiran kecil-kecil, sebagaimana terlihat pula dari

hasil SEM pada Gambar 10 (c) dan 10 (d). Keberadaan senyawa intermetalik ini diperkuat

dengan hasil dari EDX pada Gambar 13 bisa dilihat bahwa komposisi dan peakAl dan Cu

hampir seimbang yaitu Al 45.58 & Cu 54.42% untuk pin tool tapered cylindrical dan Al

46.63% & Cu 53.57% untuk pin tool threaded cylindrical. Hal ini menjadikan fasa

intermetalik hasil dari dissimilar FSW unik karena komposisi kedua unsur dalam senyawa

tersebut hampir seimbang namun tidak bisa disebut paduan karena sifatnya berbeda. Dari

hasil XRD pada Tabel 2, Gambar 14, Tabel 3 dan Gambar 15 bisa diketahui jenis senyawa

intermetalik yang terbentuk pada bagianstir zone, yaitu Al2Cu dan Al4Cu9. Namun terbentuk

pula senyawa oksida yaitu Al2CuO4. Senyawa oksida ini kemungkinan muncul akibat mulai

terjadinya korosi galvanik, karena rentang waktu dari proses pengelasan sampel hingga diuji

dengan alat XRD berjarak 6 bulan sehingga waktunya sudah cukup untuk terbentuk senyawa

oksida.

Kemudian berdasarkan Gambar 11 dapat dianalisis keberadaan daerah interface dan

TMAZ pada hasil lasan. Jika dilihat pada Gambar 11 (a) dan 11 (b), pada hasil sambungan

dengan menggunakan pin tool tapered cylindrical daerah TMAZ hampir tidak bisa terlihat

karena hampir menyatu dengan stir zone dan menempel dengan interface, sehingga untuk

memudahkan penyebutan daerah yang berada di dekat interfacebisa disebut sebagai TMAZ.

Hal ini disebabkan karena gerak welding machine yang terlalu lama atau sempat berhenti

sebelum kemudian dilanjutkan kembali. Sedangkan daerah interface terlihat dengan sangat

jelas seperti yang ditunjuk oleh garis merah pada Gambar 11 (b). Namun di sepanjang

interfaceterdapat crackyang kemungkinan besar disebabkan oleh lokalisasi tegangan akibat

tekanan yang diberikan selama proses pengelasan berlangsung, hasil tegangan sisa setelah

sambungan tersolidifikasi serta keberadaan senyawa intermetalik pada daerah stir zone.

Sedangkan jika dilihat pada Gambar 11 (c), 11 (d), 11 (e) dan 11 (f) pada hasil sambungan

dengan menggunakan pin tool threaded cylindrical terlihat jelas daerah TMAZ-nya yangterpisah dari daerah interface. TMAZ dapat terlihat dengan jelas karena saat proses


18/23

pengelasan kecepatanpassing welding machinenya pas dan tidak berhenti dulu, tidak seperti

ketika menggunakanpin tool tapered cylindrical. Selain itu, geometri threaded pin toolyang

memiliki ulir-ulir juga menyebabkan adukan material menjadi lebih terpecah dan akibatnya

terlihat jelas perbedaan dari mikrostruktur di stir zone, TMAZ dan HAZ. Terlihat pula pada

Gambar 11 (c) terdapat cracknamun berbeda dengan hasil sambungan menggunakan tapered

pin tool, crack menjalar dari bagian flow arm ke arah stir zone. Namun penyebab crack

diperkirakan sama, yaitu akibat adanya lokalisasi regangan akibat dari penekanan welding

machine, tegangan sisa setelah hasil sambungan tersolidifikasi serta keberadaan senyawa

intermetalik pada daerahstir zone.

Terakhir, berdasarkan Gambar 12 dapat dianalisis keberadaan HAZ pada hasil

sambungan. Dari hasil pencitraan menggunakan SEM, terlihat jelas perbedaan antara HAZ

dengan menggunakan pin tool tapered cylindrical dan threaded cylindrical. Bentuk butir

HAZ dengan menggunakan pin tool tapered cylindrical lebih halus atau kecil-kecil,

sedangkan dengan menggunakan pin tool threaded cylindrical bentuk butirnya lebih kasar.

Hal ini kemungkinan dikarenakan panas yang dihasilkan oleh threaded pin tool lebih besar

daripada tapered pin tool akibat adanya ulir-ulir sehingga terjadi pertumbuhan butir yang

lebih pesat dengan menggunakan threaded pin tool.

5.2.

Nilai Kekerasan Hasil Lasan

Berdasarkan hasil pengujian terlihat adanya perbedaan pada kekerasan logam induk Al

dan Cu jika dibandingkan dengan literatur. Berdasarkan ASMMaterial Data Sheet, diketahui

bahwa nilai kekerasan Vickers Al A5052 sebesar 68 HVN, sedangkan berdasarkan pengujian

yang menggunakan tapered pin tool nilai kekerasannya 62 HVN dan yang menggunakan

threaded pin tool nilai kekerasannya 82 HVN. Logam induk Al pada hasil lasan dengan

tapered pin toolmendekati nilai literatur sehingga dapat disimpulkan titik yang diambil sudah

hampir benar, sedangkan logam induk Al hasil lasan dengan threaded pin toolberbeda cukup

jauh. Hal ini dapat terjadi karena titik pengambilan nilai kekerasan terlalu dekat dengan

daerah pinggir yang telah dipotong, diamplas dan secara umum telah diberikan perlakuan

sehingga terjadi strain hardening dan nilai kekerasan pada titik tersebut meningkat.

Sedangkan nilai kekerasan Vickers wrought Cu murni menurut literatur adalah sebesar 369

HVN, sedangkan berdasarkan pengujian yang menggunakan tapered pin tool sebesar 132

HVN dan yang menggunakan threaded pin toolsebesar 165 HVN. Hal ini terjadi karena Cu

merupakan material yang mudah terdeformasi, sehingga meskipun nilai kekerasan sampel


19/23

diambil pada titik di luar daerah las maka kemungkinan besar titik tersebut masih terkena efek

panas meskipun tidak separah daerah HAZ dan TMAZ, sehingga pada titik-titik tersebut

terjadi pelunakan yang menyebabkan nilai kekerasannya menurun jika dibandingkan dengan

literatur. Peningkatan nilai kekerasan daerah lasan terhadap logam induk yang terjadi dengan

menggunakan tapered pin tool adalah sebesar 60%, sedangkan dengan menggunakan

threaded pin tool adalah sebesar 70%. Hal ini terjadi karena pada daerah lasan yang

menggunakan threaded pin toolstruktur komposit yang terbentuk lebih rapi dan persebaran

materialnya lebih merata dibandingkan yang menggunakan tapered pin tool. Namun jika

diperhatikan,stir zoneyang menggunakan tapered pin toollebih keras dibandingkanstir zone

yang menggunakan threaded pin tool. Hal ini kemungkinan dikarenakan senyawa intermetalik

yang terbentuk pada stir zone dengan menggunakan tapered pin tool lebih banyak dan

menumpuk. Senyawa intermetalik yang memiliki sifat brittle ini kemudian ikut menaikkan

nilai kekerasan di bagianstir zone.

Kemudian pada data nilai kekerasan hasil lasan dengan menggunakan threaded

cylindrical pin tool terjadi peningkatan nilai kekerasan yang sangat signifikan pada bagian

HAZ dan TMAZ hingga menembus angka 600. Meskipun ketika diamati butir pada daerah

HAZ dan TMAZ hasil lasan dengan menggunakan threaded cylindrical pin toollebih besar-

besar dibandingkan dengan pada tapered cylindrical, hal ini bisa terjadi karena pada

pengelasan dengan menggunakan threaded cylindrical pin tool butir-butir Cu yang tepecah

menjadi partikel berukuran sangat kecil tersebar hingga mencapai daerah HAZ dan TMAZ

akibat keberadaan ulir pada pin tool. Selain itu, ulir-ulir pada pin tool menyebabkan suhu

operasi akibat gesekan yang terjadi meningkat hingga lebih dari 500C sehingga diindikasikan

pada bagian HAZ dan TMAZ juga terbentuk senyawa intermetalik.

5.3. Nilai Kekuatan Tarik Hasil Lasan

Dari Tabel 5 mengenai kekuatan tarik yang telah diolah, dapat dilihat hasil sambungan

dissimilar FSW dengan menggunakan pin tool tapered cylindrical lebih besar daripada

dengan menggunakan pin tool threaded cylindrical. Besar kemungkinan hal ini disebabkan

karena seperti yang telah dibahas pada subbab mikrostruktur pada daerah lasan yang

menggunakan threaded pin tool banyak terdapat cacat yaitu void atau porosity dan crack.

Cacat-cacat ini secara langsung mengakibatkan bondingpada daerah lasan menjadi berkurang

kekuatannya, apalagi void dan cracknya cukup besar dan panjang. Hal ini pula yang

menyebabkan kekuatan tarik hasil lasan dengan menggunakan kedua geometri pin toolmasih


20/23

tidak sebesar logam aslinya karena pada daerah lasan yang menggunakan tapered pin tool

juga terdapat cacat berupa crack.

Seperti yang sudah diketahui, kurva tegangan-regangan seperti pada Gambar 16

menunjukkan tidak adanya deformasi plastis yang ditandai dengan tidak adanya daerah plastis

pada kurva tersebut. Selain itu, jika daerah di bawah kurva dihitung luasnya hasilnya tidak

besar. Luas daerah di bawah kurva yang kecil juga menandakan bahwa material tersebut tidak

tangguh. Hal ini berarti ketika sudah melalui batas elastis, material tersebut akan langsung

mengalami perpatahan tanpa peringatan terlebih dahulu. Inilah yang disebut perpatahan

getas.

6. Kesimpulan

1.

Dengan menggunakan proses FSW dengan parameter kecepatan putar 2800 rpm, sudut

kemiringan 1 deg dan kecepatan pengelasan 2 mm/detik, sambungan beda logam Al

dan Cu berhasil dibuat.

2. Bagian sambungan las dissimilar FSW Al dan Cu terdiri dari logam indukAl, HAZ

Al, TMAZ Al dan interface Al-Cu, nugget/stir zone, TMAZ Cu/interface Al-Cu, HAZ

Cu, dan logam indukCu.

3. Dari penampakan mikrostruktur hasil sambungan pada bagian stir zone/nugget

terbentuk senyawa intermetalik yang bersifat brittle, yaitu Al2Cu dan Al4Cu9.

Senyawa intermetalik dari hasil menggunakan pin tool tapered cylindrical lebih

banyak dan lebih mengumpul. Selain itu hasil adukan membentuk struktur komposit

karena Cu sebagai reinforcement tersebar merata pada Al sebagai matriks, namun

persebaran lebih merata pada hasil menggunakanpin tool threaded cylindrical.

4. Pada bagian TMAZ dan interface terlihat bahwa pada hasil sambungan dengan pin

tool tapered cylindrical daerah TMAZ tidak terlihat, sedangkan pada hasil sambungan

dengan pin tool threaded cylindrical terlihat. TMAZ yang tidak terlihat disebabkan

oleh kecepatan adukan yang terlalu lambat.

5. Pada bagian HAZ terlihat bahwa ukuran butir hasil sambungan dengan pin tool

threaded cylindrical lebih besar-besar jika dibandingkan dengan pin tool tapered

cylindrical. Hal ini disebabkan geometri pin tool yang berulir menghasilkan panas

yang lebih tinggi sehingga pertumbuhan butir lebih pesat.

6. Kekerasan/hardness sambungan las dissimilar FSW dengan menggunakan pin tool

tapered cylindricalmengalami peningkatan jika dibandingkan dengan logam indukAldan Cu dengan rata-rata kenaikan angka kekerasan HVN sebesar 60%, sedangkan


21/23

dengan menggunakan pin tool threaded cylindrical mengalami peningkatan sebesar

70%. Pada daerah stir zone dengan menggunakan tapered pin tool kekerasannya

lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan threaded pin tool karena senyawa

intermetaliknya lebih banyak dan mengumpul.

7. Kekuatan tarik/tensile strength dengan menggunakan tapered pin tool sebesar 165

MPa dan dengan menggunakan threaded pin tool sebesar 52 MPa. Kekuatan tarik

hasil lasan denganpin tool tapered cylindrical lebih tinggi dari hasil lasan dengan pin

tool threaded cylindrical karena pada hasil lasan dengan threaded pin tool terdapat

voidyang besar. Dari hasil uji tarik diketahui bahwa kedua sambungan las mengalami

perpatahan brittle, terutama di daerah HAZ.

8. Dari hasil pengamatan struktur mikro dan pengujian sifat mekanis sambungan

dissimilar FSW Al dan Cu menggunakan pin tools tapered cylindrical merupakan

variabel yang lebih baik.

7. Saran

1.

Variabel geometripin toolakan lebih mempengaruhi mikrostruktur dan kekuatan hasil

sambungan apabila diteliti berbarengan dengan variabel rotational speed dan

transverse speed, maka perlu ditambahkan variabel-variabel tersebut pada penelitian

di masa yang akan datang.

2. Perlu dilakukan penelitian mengenai perlakuan post-weld heat treatment (PWHT)

setelah proses pengelasan untuk mengetahui efeknya terhadap pencegahan crackpada

hasil sambungan terutama di bagian HAZ.

8. Referensi

1. Galvo, I., et al., et al.Influence of aluminium alloy type on dissimilar friction stir lapwelding of aluminium to copper.Journal of Materials Processing Technology, 2013.

pp. 19201928.

2. Yong, Zan, et al., et al.Dissimilar friction stir welding between 5052 aluminum alloy

and AZ31 magnesium alloy. 2009.

3. Kalpakjian and Schmid.Manufacturing Engineering and Technology. 6/c, 2010.

4. Institute, The Welding. Welding Technology. 2009.

5. Mishra, Rajiv S. and Mahoney, Murray W.Friction Stir Welding and Processing:Chapter I. Ohio : ASM International Material Park, 2007.


22/23

6. Thomas, W.M., et al., et al.Friction Stir Butt Welding. GB Patent No. 9125978.8.

1991. International Patent Application No. PCT/GB92/02203.

7. International, ASM.Friction Stir Welding and Processing. Ohio : American Society

of Material, 2007.

8. Vilaca, Pedro, Gandra, Joao and Vidal, Catarina.Linear Friction Based Processing

Technologies for Aluminium Alloys: Surfacing, Stir Welding and Stir Channeling.

Lisbon : Instituto de Engenharia Mecanica, 2012.

9. Nandan, R. Debroy and T. Bhadeshia, H.K.D.H. Recent Advances in Friction-stir

Welding; Process, Weldment Structure and Properties. 2008, Progress in Material

Science Vol. 6, pp. 980-1023.

10. Mishra, R.S. and Ma, Z.Y. Friction Stir Welding and Processing.2005, Materials

Science and Engineering, Vol. 1-2, pp. 1-78.

11. Elangovan, K. Balasubramanian. Influences of tool pin profile and welding speed

on the formation of friction stir processing zone in AA2219 aluminium alloy. 2008,

Journal of Materials Processing Technology Vol. 1-3, pp.163-175.

12. McClure, J.C., et al., et al.Effect of Pin Tool Shape on Metal Flow During Friction

Stir Welding.NASA, 2001.

13. Cobden, Ron, et al. TALAT Lecture 1501. Brussels: European Aluminium

Association, 2009.

14. Ren, S. R., Ma, Z.Y and Chen, L.Q. Effect of Welding Parameters on Tensile

Properties and Fracture Behavior of Friction Stir Welded Al-Mg-Si alloy. 2007,

Scripta Materialia Vol. 1, pp. 69-72.

15. Shudo, Hajime.Material Testing (Zairyou Shiken), 1983.Uchidarokakuho.

16. Xue, P., et al., et al.Effect of friction stir welding parameters on the microstructure

and mechanical properties of the dissimilar Al-Cu joints. Materials Science and

Engineering A 528. 2011, pp. 4683-4689.

17.ASTM E8M-04:Method for Tensile Testing Metal.

18. Moshwan, Raza, et al., et al.Effect of Tool Rotational Speed on Force Generation,

Microstructure and Mechanical Properties of Friction Stir Welded Al-Mg-Cr-Mn

(AA5052-O) Alloy.Elsevier: Materials and Design 66. 2014, p 118-128.

19. Tan, C.W., et al., et al.Microstructural evolution and mechanical properties of

dissimilar Al-Cu joints produced by friction stir welding. Elsevier Vol. 51.2013, p.

466-473.

20. Febryansyah, Bayu Eka. Studi Sifat Mekanik dan Strukturmikro SambunganDissimilar Friction Stir Welding Aluminium dan Tembaga Terhadap Variabel


23/23

Bentuk Geometri Pin Tools dan Preheating pada Tembaga. Depok : Universitas

Indonesia, 2015.

21. Kim, Hyoung-Joon and et al.Effects of Cu/Al Intermetallic Compound (IMC) on

Copper Wire and Aluminum Pad Bondability,2003. IEEE Vol. 26.

22. Xue, P., et al., et al.Enhanced mechanical properties of friction stir welded

dissimilar Al-Cu joint by intermetallic compounds. Elsevier: Materials Science and

Engineering A 527.2010, pp. 5723-5727.

23. Aval, Hamad Jamshidi. Influences of pin profile on the mechanical and

microstructural behaviors in dissimilar friction stir welded AA6082-AA7075 Butt

Joint. Elsevier: Materials and Design 67. 2014, pp.413-421.

24. I, Galvao, et al., et al.Formation and Distribution of Brittle Structures in Friction

Stir Welding of Aluminum and Copper: Influence of Process Parameters. Science

and Technology of Welding and Joining.2011, Vol. 16, pp 681-689.

aisyah nur afianti skripsi ft naskah ringkas 2016

Documents