PENGARUH MASUKAN PANAS SAMBUNGAN LAS ERW TERHADAP KEKERASAN MATERIAL PIPA BAJA

API 5L – GR.B (Diameter 10” dan Tebal 9.30 mm)

Oleh Koos Sardjono KP*)

Abstrak

Salah satu proses terpenting dalam industri logam, permesinan dan manufaktur adalah proses penyambungan logam. Penggunaan teknologi las seperti pada pipa baja, menuntut mutu pengelasan yang baik yang sesuai dengan Welding Procedure Specification .

Dalam banyak kasus sambungan las pada logam baja, sering dijumpai timbulnya gejala retak. Retak dalam pengelasan dapat terjadi kerana pengaruh siklus termal, salah dalam pemilihan parameter las, atau akibat dari design - fault. Fenomena ini akan berpengaruh terhadap ukuran butir, sturktur mikro dan tegangan sisa yang akhirnya mempengaruhi terhadap sifat mekanis sambungan las. maka dapat disimpulkan sebagai berikut.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa parameter masukan panas pada proses pengelasan dengan metode ERW terhadap material pipa baja API 5L–Gr. B adalah sebesar 84.670 Joule/mm tidak berpengaruh terhadap sifat mekanis dalam hal ini nilai kekerasan Vickers di Base Metal (BM), Heat Affected Zone (HAZ) dan di Weld Metal (WM).

Kata kunci: pipa baja API 5L–gr.B, pengelasan ERW, masukan panas, nilai kekerasan I. PENDAHULUAN Salah satu proses terpenting dalam industri logam, permesinan dan manufaktur adalah proses penyambungan logam. Penggunaan teknologi las seperti pada pipa baja, menuntut mutu pengelasan yang baik.

Dalam banyak kasus sambungan las pada logam baja, sering dijumpai timbulnya gejala retak dan patah getas. Patah getas umumnya terjadi sewaktu temperatur lingkungan turun dengan drastis. Kebanyakan teknisi/operator las tidak sabar, untuk mempersingkat waktu pengerjaan mereka memberikan nilai masukan panas tinggi, ini mengakibatkan terjadinya siklus termal pada logam sangat cepat terutama disekitar logam lasan. Fenomena ini akan berpengaruh terhadap ukuran butir, sturktur mikro dan tegangan termal yang akhirnya mempengaruhi terhadap sifat mekanis sambungan las.

Penelitian dilaksanakan dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh perubahan besaran masukkan panas (head input) terhadap sifat mekanis sambungan las. Untuk itu diperlukan beberapa pengujian terhadap sampel sambungan las yang terdiri dari:

*) Peneliti Balai Besar Teknologi Kekuatan Struktur – BPPT

a. Pengujian Tidak Merusak (Non Destructive Test) Tujuan pengujian adalah untuk mengetahui kondisi cacat pengelasan, yang dilakukan dengan metode radiografi.

b. Pengujian Merusak (Destructive Test) Tujuan pengujian adalah untuk mengetahui sifat mekanis sambungan las terhadap beberapa tipe pembebanan. Pengujian yang dilakukan antara lain: uji pukul takik (impact test), uji tarik (tensile test), uji kekerasan (hardness test), dan pemeriksaan metalografi (metallography examination).

II. BAHAN DAN METODE

Pengelasan adalah suatu proses penyambungan dua atau lebih logam menjadi satu akibat panas dan atau tanpa pengaruh tekanan. Definisi lain adalah ikatan metalurgi yang ditimbulkan oleh gaya tarik menarik antara atom. Sebelum atom-atom tersebut membentuk ikatan, permukaan yang menjadi satu perlu bebas dari gas yang terserap atau oksida-oksida. Bila dua permukaan yang rata dan bersih ditekan, beberapa kristal akan tertekan dan bersinggungan. Bila tekanan diperbesar, daerah singgung ini bertambah luas, lapisan oksida yang rapuh, pecah logam mengalami deformasi plastik. Batas antara dua permukaan kristal dapat menjadi satu dan terjadilah sambungan, proses ini disebut pengelasan dingin.Sampai saat ini telah berhasil dikembangkan kurang lebih empat puluh jenis proses pengelasan yang berbeda, tetapi secara umum dapat dikelompokkan menjadi: a. Proses pengelasan busur listrik (Arc Welding Proses). b. Proses pengelasan gas (Gas Welding Proses). c. Proses pengelasan tahanan listrik (Electric ResisitanceWelding). 2.1 Las Resistansi Listrik (Electric Resistance Welding) Dalam bab ini hanya dibahas mengenai las resistansi listrik karena pengelasan yang digunakan untuk pembuatan pipa pada BPI menggunakan Electric Resistance Welding (ERW). Proses pengelasan las resistansi listrik yaitu dengan menggunakan arus yang cukup besar dialirkan melalui logam sehingga menimbulkan panas pada sambungan, dan dibawah pengaruh tekanan dan pengaturan hambatan listrik sehingga terbentuklah sambungan las. Transformator yang terdapat dalam mesin las merubah tegangan arus bolak - balik dari 110-220 V menjadi 4-12 V dan arusnya menjadi cukup besar sehingga menghasilkan panas yang diperlukan. Bila arus mengalir dalam logam, panas timbul didaerah ujung elektrode dengan tahanan listrik yang terbesar, yaitu pada batas permukaan kedua logam atau lembaran dan terjadilah sambungan las. Besar arus yang

diperlukan didaerah sambungan bekisar antara 50-60 MVA/m2 dengan tenggang waktu sekitar 12 m/menit, tekanan yang diperlukan berkisar antara 30-50 MPa.

Las resistansi listrik ini pada dasarnya merupakan proses penyambungan lembaran tipis. Pada proses ini sambungan mengalami tekanan selama proses pemanasan yang diatur dengan cermat dan prosesnya sendiri berlangsung secara cepat. Hampir semua logam dapat dilas dengan las resistansi listrik, meskipun ada beberapa logam seperti timah putih, seng dan timbel agak sulit dilas. Pada pengelasan resistansi listrik ada tiga faktor yang perlu diperhatikan: a. Besarnya arus listrik yang dipergunakan untuk pengelasan. b. Besarnya tahanan arus listrik yang digunakan dalam pengelasan. c. Waktu yang digunakan dalam siklus pengelasan. Sehingga besarnya masukan energi panas yang dihasilkan dapat dihitung dengan rumus:

Q = η . I 2 . R . t ( Joul /m ) Dengan:

η = Efisiensi pengelasan (0,7) I = Arus listrik (A) R = Tahanan listrik (Ohm) t = Waktu siklus pengelasan (sekon)

Untuk mendapatkan hasil yang baik ketiga variable diatas, perlu diperhatikan dan ditentukan dengan cermat. Dan ketiga besaran sangat tergantung pada tebal bahan, diameter elektroda dan tekanan yang digunakan. Proses Pengelasan Resistansi Listrik meliputi:

2.1.1 Las Titik (Spot Welding)

Las titik merupakan cara las resistansi listrik dimana dua atau lebih lembaran logam dijepit diantara elektroda dan logam. Kemudian siklus las mulai pada saat elektroda bersinggungan dengan logam dibawah pengaruh tekanan sebelum arus dialirkan, waktu yang singkat disebut waktu tekan, kemudian dialirkan arus bertegangan rendah diantara elektroda, logam yang saling bersinggungan menjadi panas dan suhu naik sampai mencapai suhu pengelasan. Segera setelah suhu pengelasan dicapai tekanan antara elektroda memaksa logam menjadi satu dan terbentuklah sambungan las.

Gambar 1 Distribusi Suhu pada Las Titik

2.1.2 Pengelasan Kampuh (Seam Welding)

Las kampuh adalah proses las yang menghasilkan sambungan las yang kontinyu pada dua lembaran logam. Sambungan terjadi oleh panas yang di timbulkan tahanan. Arus mengalir melalui lembaran logam yang ditekan antara dua buah elektroda bulat. Metode ini merupakan pengelasan titik yang kontinyu. Pengelasan kampuh berkecepatan tinggi digunakan arus bertindak sebagai interuptor.

Panas yang dihasilkan pada permukaan kontak elektroda adalah minimal karena disini digunakan elektroda paduan tembaga dan panas berdesipasi dengan cepat karena elektroda dan daerah las dialiri air. Jumlah panas yang terjadi pada permukaan batas karena tahanan kontak dapat ditingkatkan dengan menurunkan tekanan elektroda variable lain, yang berpengaruh adalah waktu pengelasan. Bila kecepatan pengelasan bertambah maka panas yang dihasilkan akan berkurang.

Las kampuh digunakan dalam pembuatan wadah logam, knalpot kendaraan dan spatbor, lemari es dan tangki bahan bakar. Keuntungan metode pengelasan ini adalah disain yang rapi, penghematan bahan, sambungan yang rapat, sambungan yang rapat dan biaya yang murah.

Gambar 2 Las Kampuh Tumpang

2.1.3 Pengelasan Kampuh Kontinyu (Continuous Seam Welding)

Proses inilah yang dipakai pada pembuatan pipa baja pada BPI. Proses ini biasanya digunakan pada produk yang panjang dan sejenis. Cara kerjanya yaitu lembaran logam ditekuk dengan tekanan yang telah ditentukan sehingga membentuk sudut 4o-7o. puncak bentuk V yang terbuka meninggalkan kontak, sesuai arah gerakan. Aliran frekuensi tinggi menyusuri daerah yang terlakolisasi pada sisi V satu dan lalu balik lagi pada sisi yang lainnya yang menyebabkan efek kulit dan “proximiki”. Tahanan logam terhadap aliran arus memanasi daerah tepi saja tidak sampai melebur kedalam. Kecepatan pengelasan

dan tingkat power disesuaikan sehingga dua tepi yang dilas selalu pada temperatur welding ketika ditemukan. Pada saat tersebut, tekanan rol menekan tepi panas dan menset tepi-tepi tersebut sehingga menghasilkan daerah pengelasan. Logam panas yang terdiri dari impurities dari permukaan lembaran ditekan keluar dari sambungan dan terbentuklah sambungan las yang kontinyu.

Gambar 3 Pengelasan Resistansi Tumpul secara Kontinyu pada Tabung

2.2 Uji Kekerasan Vickers (Vickers Hardness Test) Pada uji kekerasan Vickers menggunakan penumbuk piramida intan yang dasarnya berbentuk bujur sangkar. Besar sudut antara permukaan–permukaan piramid adalah 1360. Sudut ini dipilih karena nilai tersebut mendekati sebagian besar nilai perbandingan yang diinginkan antara diameter lekukan dan diameter bola penumbuk pada uji kekerasan Brinell. Karena penumbukan piramid, maka pengujian ini sering dinamakan uji kekerasan piramida intan. Angka kekerasan piramid intan (DPH), atau angka kekerasan Vickers (VHV), didefinisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan. Pada prakteknya, luas ini dihitung dari pengukuran mikroskopik panjang diagonal jejak. DPH dapat ditentukan dengan persamaan:

DPH = 2P sin (θ/2)/L2 = 1.854 P/L2 Dengan:

P = Beban yang diterapkan (kgf) L = Panjang diagonal rata–rata (mm2) θ = Sudut antara permukaan intan yang berlawanan (136o).

Beban yang biasa digunakan pada pengujian Vickers antara 1 hingga 120 kg, tergantung pada kekerasan logam yang akan diuji. Hal-hal yang menghalangi keuntungan

pemakaian metode Vickers adalah, uji kekerasan Vickers tidak dapat dipergunakan secara rutin karena pengujian tersebut lambat, memerlukan permukaan benda uji yang hati-hati dan terdapat pengaruh kesalahan manusia yang besar dalam penentuan diagonal. Lekukan yang benar yang dibuat oleh penumbuk piramida intan harus berbentuk bujur sangkar, akan tetapi sering terjadi penyimpangan pada penumbuk piramida (Gambar 4). Lekukan bantal jarum pada Gambar 4b adalah akibat penurunan logam disekitar permukaan piramida yang datar. Keadaan ini terjadi pada logam yang dilunakkan mengakibatkan pengukuran panjang diagonal yang berlebihan. Lekukan berbentuk tong pada gambar II.4c terdapat pada logam-logam yang mengalami proses pengerjaan dingin. Bentuk demikian diakibatkan penimbunan keatas logam–logam disekitar permukaan penumbuk. Ukuran diagonal pada kondisi demikian akan menghasilkan luas permukaan kontak yang kecil, sehingga menimbulkan kesalahan angka kekerasan yang besar. Sedangkan untuk lekukan yang sempurna dapat dilihat pada gambar II.4a, dimana panjang diagonal rata–rata dapat ditentukan dengan tepat sehingga dihasilkan kekerasan yang akurat. Karena nilai kekerasan mudah ditentukan dan tidak merusak contoh,cara pengujian ini sering dimanfaatkan untuk pengendalian mutu pada proses–proses perlakuan panas. Bila nilai kekerasan merata, dapat ditarik kesimpulan umum bahwa sifat-sifat mekanismenya pun seragam.

(a) (c)(b) Gambar 4 Tipe-Tipe Lekukan Piramida Intan

a. Lekukan yang sempurna b. Lekukan bantal jarum. c. Lekukan berbentuk tong III. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Hasil Pengujian Kekerasan Pengujian kekerasan dilakukan dengan menggunakan metode Vickers dijejak pada Weld Metal, Heat Affected Zone (HAZ), Base Metal (BM) dengan menggunakan standar pengujian ASTM A370 dengan beban yang diguinakan 10 kg dan ketentuan-ketentuan:

a. Kekerasan Base Metal, HAZ, Weld Metal tidak boleh melebihi 250 HV b. Distribusi kekerasan antara daerah-daerah Base Metal, HAZ, Weld Metal

tidak boleh melebihi 50 HV c. Test Frekuensi = 1 spl/Heat

Pengujian dilakukan dengan menggunakan metode Vickers, dimana diamond pyramid digunakan sebagai indikator dengan sudut antara sisi-sisi puncak sebesar 136o

Tabel 1 Hasil Uji Kekerasan API 5L–gr.B

Base Metal HAZ FL HAZ Base Metal No Posisi I II III IV V VI VII A 165.3 162.1 174.4 170.7 168.8 171.1 166.0 B 163.2 161.3 171.6 170.1 172.1 174.7 164.7 1 C 164.6 163.6 172.7 166.0 175.6 168.0 167.4 A 165.3 160.9 174.4 171.2 166.8 166.8 167.4 B 160.3 164.8 184.2 169.1 170.2 165.1 163.2 2 C 163.9 166.7 170.1 168.0 171.6 163.2 166.5 A 169.8 160.0 162.8 161.8 165.9 159.1 170.1 B 163.1 162.5 162.9 161.9 160.2 161.4 166.7 3 C 171.7 163.3 166.5 162.1 170.3 165.3 171.1

155

160

165

170

175

KEK

ERA

SAN

1 2 3 Rata2Base Metal I Base Metal II Base Metal VI Base Metal VII

Gambar 5 Grafik Kekerasan vs Base Metal API 5L – gr. B

Tabel 2 Hasil Rata – Rata Uji Kekerasan API 5L – gr. B

155160165170175180

KEK

ERA

SA

N

1 2 3 Rata2

HAZ III HAZ V

Gambar 6 Grafik Kekerasan vs HAZ API 5L – gr.B

Base Metal HAZ WM HAZ Base Metal No Posisi I II III IV V VI VII 1 A+B+C 3 164.3 162.3 172.9 168.9 172.1 171.2 166.0 2 idem 163.1 164.1 176.2 169.4 169.5 165.0 165.7 3 idem 168.2 161.9 164.0 161.9 165.4 161.9 169.3 Total Rata-rata 165.2 162.7 171.0 166.7 169 166.0 167

155

160

165

170

KEK

ERA

SAN

1 2 3 Rata2

WELD METAL

Gambar 7 Grafik Kekerasan vs Weld Metal API 5L – gr.B

Dari data-data yang diperoleh dari uji kekerasan Vickers pada API 5L–gr.B menunjukkan bahwa nilai kekerasan di BM (rata-rata 165 HV), HAZ (rata-rata 170 HV) dan di WM (rata-rata 166,7 HV). Hal ini menunjukkan bahwa nilai kekerasan masing-masing cukup tinggi sehingga baik Base Material (BM), Heat Affected Zone (HAZ) dan Weld Metal (WM) masuk kedalam standar American Petroleum Institute (API) yang mempunyai nilai kekerasan minimal 141,7 HV. Dari data parameter proses pengelasan diperoleh informasi sebagai berikut:

Tabel 3 Data Parameter Pengelasan

Sehingga masukan panas dihitung dengan panjang setiap pipa 6 m, adalah sebagai berikut: Q = η . I2 . R . t (Joule/m)

= 0,7.( 200 )2.336/200.6/0,2 = 84.670 Joule/mm

IV. KESIMPULAN Dari hasil pemeriksaan, pengujian dan pembahasan serta dari referensi yang ada, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Masukan panas yang terjadi pada proses pengelasan dengan metode ERW terhadap

material pipa baja API 5L–gr.B adalah sebesar 84.670 Joule/mm. 2. Pengujian kekerasan metode Vickers terhadap sampel material pipa baja spesifikasi

API 5L–gr.B, setelah mengalami pengelasan ERW tidak berpengaruh terhadap masukan panas diatas, karena nilai kekerasan di Base Metal 165 HV, di Heat Affected Zone 170 HV dan di Weld Metal 166,7 HV masih diatas nilai ambang batas minimal stándar API 5L–gr.B (141,7 HV).

No Benda uji Kuat Arus (Ampere)

Voltage (Volt)

Kecepatan Las (m/menit)

1 AP API 5L – gr. B 200 336 0,2

DAFTAR PUSTAKA

1. Amsted, B.H, Ostwald, P.F. Begeman, M.L., Djaprie, S., ”Teknologi Mekanik”,

Edisi Ketujuh, Versi SI, Jakarta: Erlangga, Januari 1985. 2. Wiryosumatro, Harsono, Prof, Dr, Ir, Okumura, Toshie, Prof, Dr, “Teknologi

Pengelasan Logam”, Jakarta paramita, 2000, Cetakan Kedelapan. 3. Dieter, G., Djaprie, S., “Metalurgi Mekanik”, Edisi Ketiga, Erlangga 1987