kuliah 8 kimpalan

24
Kimpalan 8-1 mkaj 2002 Kuliah 8 Kimpalan Kimpalan merupakan kaedah sambungan yang penting yang sering digunakan di dalam bidang kejuruteraan hari ini terutamanya pada struktur-struktur bangunan, pelantar minyak, pembinaan kapal , industri automotif dan sebagainya. Dalam bab ini kita akan mempelajari sebahagian kecil daripada teknologi kimpalan iaitu: Jenis-jenis kimpalan Kaedah pemeriksaan kualiti kimpalan Badan piawai Analisis daya dan tegasan pada logam kimpal Penentuan saiz kimpalan 8-1 JENIS-JENIS KIMPALAN WELDING PROCESS SOLID STATE WELDING Friction Welding Ultrasonic Welding Forge Welding Roll Welding Cold Welding Explosion Welding OXYFUEL GAS WELDING Pressure Gas Welding Oxyacetylene Welding ARC WELDING Shielded Metal Arc Welding Gas Metal Arc Welding Polsed Arc Short Circuit Arc Electrogas Spray Transfer Gas Tungsten Arc Welding Flux Cored Arc Welding Submerged Arc Welding Plasma Arc Welding Stud Welding UNIQUE PROCESS Thermit Welding Laser Beam Welding Electroslag Welding Flash Welding Induction Welding Electron Beam Welding RESISTANCE WELDING Resistance Spot Welding Resistance Seam Welding Projection Welding Rajah 9-1 Pengelasan kimpalan

Upload: doanduong

Post on 30-Dec-2016

367 views

Category:

Documents


7 download

TRANSCRIPT

Page 1: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-1

mkaj 2002

Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan merupakan kaedah sambungan yang penting yang sering digunakan di dalam bidang kejuruteraan hari ini terutamanya pada struktur-struktur bangunan, pelantar minyak, pembinaan kapal , industri automotif dan sebagainya. Dalam bab ini kita akan mempelajari sebahagian kecil daripada teknologi kimpalan iaitu: • Jenis-jenis kimpalan • Kaedah pemeriksaan kualiti kimpalan • Badan piawai • Analisis daya dan tegasan pada logam kimpal • Penentuan saiz kimpalan 8-1 JENIS-JENIS KIMPALAN

WELDING PROCESS

SOLID STATE WELDING

Friction Welding • Ultrasonic Welding • Forge Welding • Roll Welding •

Cold Welding •

Explosion Welding

OXYFUEL GAS WELDING

• Pressure Gas Welding •

Oxyacetylene Welding

ARC WELDING

• Shielded Metal Arc Welding

• Gas Metal Arc Welding ◊ Polsed Arc ◊ Short Circuit Arc ◊ Electrogas ◊ Spray Transfer

Gas Tungsten Arc Welding• Flux Cored Arc Welding • Submerged Arc Welding • Plasma Arc Welding • Stud Welding

UNIQUE PROCESS

• Thermit Welding • Laser Beam Welding •

Electroslag Welding •

Flash Welding • Induction Welding • Electron Beam Welding

RESISTANCE WELDING

Resistance Spot Welding •

Resistance Seam Welding • Projection Welding

Rajah 9-1 Pengelasan kimpalan

Page 2: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-2

mkaj 2002

Gambarajah di bawah menunjukkan beberapa jenis kimpalan yang biasa kita temui.

Rajah 8-2 Kimpalan arca menggunakan elektrod bersalut

Rajah 8-3 Kimpalan rintangan bintik (resistance spot welding)

Page 3: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-3

mkaj 2002

Rajah 8-4 Kimpalan kelim (seam welding) Kimpalan merupakan kaedah penyambungan yang kekal di antara logam kimpal dan benda kerja (work piece). Kimpalan merupakan proses penting untuk industri seperti pembinaan kapal, industri automotif, pesawat udara, pembuatan tin dan penyambungan paip logam. Kaedah ini juga digunakan untuk industri plastik seperti kimpalan ultrasonik dan juga sebagai kaedah pemotongan logam. 8-2 KAEDAH PEMERIKSAAN KUALITI KIMPALAN Adalah amat penting memeriksa kualiti kimpalan untuk mengelakkan kegagalan sambungan. Kegagalan biasanya disebabkan ujudnya keliangan (porosity), bendasing (foreign particles), keretakan (cracks). Langkah-langkah keselamatan juga perlu di ambil untuk mengelakkan kegagalan, umpamanya permukaan yang telah dikimpal hendaklah diratakan atau di canai untuk mengelakkan keretakan terhasil daripada permukaan kasar atau tidak rata. Beberapa kaedah yang biasa digunakan untuk memastikan kualiti kimpalan yang tinggi diterangkan di bawah. Pemeriksaan Permukaan Pemeriksaan permukaan adalah untuk memeriksa keujudan keretakan dan kecacatan permukaan kimpalan. Terdapat dua kaedah yang digunakan iaitu menggunakan : • pewarna (dye penetrant method) yang ditaburkan di atas permukaan kimpalan. Menerusi cara ini, keretakan

akan dapat dilihat dengan matakasar • serbuk magnet (magnetic particle method). Melalui cara ini benda kerja dikenakan medan magnet dan

serbuk logam atau besi ditaburkan. Pada tempat yang retak atau ujudnya keliangan, aliran serbuk magnet akan kelihatan cacat atau terputus.

Pemeriksaan di bawah permukaan Pemeriksaan dibawah permukaan adalah untuk mengesan keujudan keliangan, jermang (slag inclusion) bendasing dan juga keretakan. Radiografi Kaedah ini menggunakan punca sinaran yang dipancar kepada filem menerusi benda kerja. Sebarang keretakan atau kecacatan pada kimpalan akan kelihatan pada filem. Satu kelemahan pada teknik ini adalah apabila keretakan atau keliangan menegak dan selari dengan arah pancaran. Imej yang ditunjukkan oleh filem hanyalah keratan rentas atau garispusat lubang sedangkan panjang sebenar kecacatan tidak dapat ditunjukkan. Satu kaedah lain yang lebih baik adalah menggunakan ultrasonik.

Page 4: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-4

mkaj 2002

Rajah 8-5 Kaedah radiografi

Ultrasonik Kaedah ini menggunakan gelombang bunyi yang dipancarkan melalui benda kerja. Gelombang yang dibalikkan dikesan dalam bentuk plot isyarat gelombang. Kaedah ini adalah pantas dan peralatan yang digunakan mudahalih. Rajah 8-6 menunjukkan kaedah ini.

(a) (b) (c)

Rajah 8-6 Kaedah ultrasonik (a) pemancar dan penerima tunggal (b) contoh plot isyarat yang diterima (c) satu penghantar dan satu penerima (balikan)

Page 5: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-5

mkaj 2002

8-3 PIAWAIAN

Dalam amalan sebenar kejuruteraan, kita perlu menyemak garispanduan mengenai kimpalan yang telah disediakan oleh badan-badan piawai berikut: • American Welding Society (AWS) • American Institute of Steel Construction (AISC) • American Society for Testing Materials (ASTM) • American Society of Mechanical Engineers (ASME) • American Petroleum Institute (API) • British Standards (BS) - BS : 4360, 639, 1719, 1856, 2642, 499, etc. Contoh maklumat yang boleh diperolehi daripada piawai adalah ditunjukkan dalam rajah 8-7.

Rajah 8-7 Contoh maklumat yang boleh diperolehi daripada piawai

Page 6: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-6

mkaj 2002

8-4 JENIS-JENIS KIMPALAN, SAMBUNGAN DAN SIMBOL Jenis-jenis kimpalan dan sambungan ditunjukkan dalam rajah 8-8.

Jenis kimpalan

Jenis sambungan

Rajah 8-8 Jenis kimpalan dan jenis sambungan

Simbol untuk beberapa jenis kimpalan ditunjukkan di bawah:

Rajah 8-9 Simbol asas kimpalan arca dan gas

Page 7: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-7

mkaj 2002

Rajah 8-9 Simbol asas kimpalan arca dan gas (sambungan)

Rajah 8-10 Simbol tambahan

Teknik piawai menerangkan kedudukan dan jenis kimpalan ditunjukkan di dalam rajah 8-12. Rajah 8-11 menunjukkan beberapa jenis dan simbol kimpalan.

(a) kimpal bebibir-tepi

(b) kimpal kambi-T

(c) kimpal kalam

(d) kimpal alur temu

Rajah 8-11 Beberapa jenis dan simbol kimpalan

Page 8: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-8

mkaj 2002

(e) kimpal kambi terputus-putus (60 mm panjang pada jarak pic 200 mm)

Rajah 8-11 Beberapa jenis dan simbol kimpalan (sambungan)

R

FA

N

L - PST

sudut alur : termasuk sudut lubang benam untuk kimpal palam

panjang kimpalan

panjang pic kimpal (antara dua bahagian tengah kimpalan)

simbol kimpal keliling

simbol kimpal d

anak panah menunjukkan kedudukan kimpalan

bilangan kimpal bintik atau kimpal unjur

simbol kontur

simbol kemasan

kedalaman isian kimpal palam

saiz atau kekuatan kimpalan

tentuan, proses atau rujukan

ekor boleh dibuang sekiranya rujukan tidak digunakan

simbol jenis kimpalan pada bahagian bersebelahan yang ditunjukkan oleh anak panah

simbol jenis kimpalan pada bahagian yang ditunjukkan oleh anak panah

Rajah 8-12 Simbol piawai kimpalan

Page 9: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-9

mkaj 2002

8-5 JENIS-JENIS BEBANAN Jenis jenis beban yang sering ditemui adalah seperti berikut

a. Bebanan melintang

b. Bebanan membujur

c. Lenturan dan ricih

Page 10: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-10

mkaj 2002

d. Kilasan

e. Gabungan kilasan, daya ricih dan lenturan

8-6 ANALISIS BEBAN DAN TEGASAN PADA LOGAM KIMPAL

Dalam bab ini kita akan menumpukan analisis kepada kimpalan temu dan kimpalan kambi. 1. Bebanan melintang

(a) Sambungan temu

Tegasan pada logam kimpal adalah:

σ xFh

=�

Page 11: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-11

mkaj 2002

(b) Sambungan bertindih

Tegasan purata pada logam kimpal dikira pada kerongkong (throat). Panjang kerongkong adalah = (cos 45o) h dan h adalah saiz kaki (leg size). Tegasan ricih purata pada logam kimpal adalah:

τ = =Fh

Fh2 0 707 1414( )( . ) .� �

2. Kilasan tulen (purely torsional)

GBB

Tegasan pada kimpalan adalah:

τ = TcJ

dan

c = jejari daripada sentroid ke kedudukan kimpalan tanpa mengambilkira ketebalan kimpalan T = dayakilas J = momen inersia kutub Nilai J diberi oleh formula berikut: J = 0.707h (Ju) dimana Ju adalah momen inersia unit kutub yang diprolehi daripada Jadual 8-1. Untuk kes yang ditunjukkan di atas, nilai J dan Ju adalah: Ju = 2πr3 dan J = 1.414πhr3

Perhatian : Dalam analisis kimpalan, ketebalan saiz kaki kimpalan tidak diambilkira ketika mendapatkan saiz jejari c. Nilai c adalah nilai jejari benda kerja tanpa mengambilkira ketebalan kimpalan. Nilai saiz kaki h hanya diambilkira dalam persamaan J = 0.707h (Ju) , momen inersia (I) dan luas kimpalan (A).

Page 12: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-12

mkaj 2002

3. Kilasan dan daya ricih terus

GBB

Rajah di atas menunjukkan contoh gabungan beban kilasan dan daya ricih terus. Daripada GBB kita dapat lihat kesan kilasan T dan daya F. Daya ricih F menghasilkan tegasan ricih utama τ’ iaitu:

τ ' = FA

⇒ A adalah luas kimpalan yang diberikan dalam Jadual 8-1

dan daya kilas T menghasilkan tegasan ricih sekunder τ” iaitu:

τ " = MrJ

⇒ J = 0.707h (Ju) dimana Ju diprolehi daripada Jadual 8-1.

Kedudukan genting tegasan kilasan adalah pada bahagian yang paling jauh daripada kedudukan sentroid kimpalan iaitu pada bahagian bucu kimpalan. Formula mencari kedudukan sentroid diberikan oleh Jadual 8-1. Oleh itu vektor τ’ dan τ” perlu dilukis pada setiap bucu untuk mencari kedudukan paling genting menggunakan kaedah vektor. Dalam kes ini kedudukan paling genting adalah lokasi B dan C. Kaedah trigonometri perlu digunakan untuk mencari nilai tegasan ricih gabungan τtotal . Untuk pemahaman anda, sila lihat contoh 8-1. Contoh 8-1 Rajah di bawah menunjukkan dua keping plat yang disambung bertindih menggunakan kimpalan pada kedudukan yang ditunjukkan. Sekiranya tegasan ricih dibenarkan adalah 140 MPa, dapatkan nilai F maksimum yang mampu ditampung oleh logam kimpal.

Page 13: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-13

mkaj 2002

Penyelesaian GBB

Rujuk kepada Jadual 8-1 untuk menentukan kedudukan sentroid G. Momen = 139 F N.mm J = 0.707hJu = 6.82 x 105 mm4 r1 = 46.2 mm dan r2 = 32.8 mm

τ ' = =F

Awwhere A mmw 721 2

F F MPa=721

( )( )

τ τA DF

xx F" " .

..= = = −139 46 2

682 109 42 105

3

( )( )τ τB C

Fx

x F" " ..

.= = = −139 32 8682 10

6 69 1053

Berdasarkan kepada analisis vektor, nilai tertinggi adalah pada A dan D. Oleh itu nilai Fmax = 14.9 kN

4. Gabungan lenturan dan daya ricih terus

GBB

Kes di atas menunjukkan contoh gabungan lenturan dan kilasan pada logam kimpal. Daripada GBB kita dapat lihat bahawa daya ricih terus F menghasilkan tegasan ricih iaitu:

τ ' = FA

⇒ A adalah luas kimpalan yang diberikan dalam Jadual 8-1

Page 14: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-14

mkaj 2002

dan momen lentur M menghasilkan tegasan lenturan iaitu :

σ bMcI

= ⇒ M = momen lentur

c = jarak daripada paksi neutral ke kedudukan yang mengalami tegasan tegasan lenturan maksimum I = momen inersia

I = 0.707h (Iu) dimana Iu adalah momen inersia unit kutub yang diprolehi daripada Jadual 8-2.

Jadual 8-1 Ciri-ciri kilasan untuk kimpal kambi

Page 15: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-15

mkaj 2002

Tegasan setara menggabungkan tegasan ricih dan lenturan boleh ditentukan menggunakan TTH atau TTRM iaitu:

σ′ ==== σ τb2 23+ ′ atau τ max =

στb

2

22

+ '

5. Gabungan daya ricih terus, kilasan dan lenturan

Kes di atas menunjukkan contoh gabungan ketiga-tiga jenis bebanan. Dalam kes seperti ini, daya ricih F menghasilkan tegasan ricih utama:

τ ' = FA

dan momen lentur M menghasilkan tegasan lenturan:

σ bMcI

=

manakala dayakilas T menyebabkan tegasan ricih sekunder :

τ " = MrJ

τ′ dan τ″ hendaklah diselesaikan menggunakan kaedah vektor untuk mendapatkan nilai paduan τtotal . Kemudian nilai setara menggabungkan kesan ketiga-tiga tindakan di atas boleh didapati menggunakan TTH atau TTRM seperti berikut:

σ′ = σ τb total2 23+ atau τmak = τ

σtotal

b22

2+

Page 16: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-16

mkaj 2002

Jadual 8-2 Ciri-ciri lenturan untuk kimpal kambi

Page 17: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-17

mkaj 2002

Jadual 8-2 Ciri-ciri lenturan untuk kimpal kambi (sambungan)

Faktor keselamatan Faktor keselamatan ditentukan menggunakan TTH atau TTRM. Biasanya TTRM digunakan kerana had ketahanan logam kimpal diberikan dalam bentuk kekuatan ricih. Walaubagaimanapun, kedua-dua teori ini boleh digunakan. Sekiranya TTH digunakan, faktor keselamatan pada logam kimpal adalah:

n = S atau had ketahanany

σ '

atau TTRM :

n = S atau had ketahanany

mak2τ

Jadual 8-3 memberikan nilai tegasan yang dibenarkan untuk kimpalan temu dan kambi.

Page 18: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-18

mkaj 2002

Jadual 8-3 Tegasan dibenarkan untuk kimpalan

Jenis bebanan

Jenis kimpalan

Tegasan dibenarkan

Faktor keselamatan **

Tegangan Temu 0.60 Sy 1.67 Galas Temu 0.90Sy 1.11 Lenturan Temu 0.6 - 0.66Sy 1.52 - 1.67 Mampatan mudah Temu 0.60Sy 1.67 Ricih Temu dan kambi 0.40Sy 1.44

** Faktor keselamatan berdasarkan Teori Tenaga Herotan. Sumber : Mechanical Engineering Design, J E Shigley, 1st metric edition, McGraw Hill, 1986. Contoh di bawah menunjukkan gabungan beban lentur dan ricih. Contoh 8-2 Tentukan nilai-nilai tegasan yang bertindak pada logam kimpal.

Page 19: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-19

mkaj 2002

GBB

Momen M = 7.5 x 105 N.m Daripada Jadual 8-2: Aw = 1.414 hd = 707 mm2 Iu = d3 /6 I = 0.707h (Iu) = 5.89 x 105 mm4 Daripada GBB kita dapati :

a. F menghasilkan τ′ = FA

= 10.6 MPa

b. M menghasilkan σb = McI

= 63.7 MPa

c. Tegasan gabungan :

τmax = σ τb

2

22

+ ′ = 33.6 MPa atau

σ′= σ τb2 23+ ′ = 66.3 MPa

Contoh 8-3

Rajah menunjukkan sebuah bungkah segiempat dikenakan dayakilas T. Tentukan dayakilas T maksimum yang boleh dikenakan sekiranya tegasan ricih dibenarkan adalah 140 MPa

Page 20: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-20

mkaj 2002

Penyelesaian

( )Jb d

x mm

J J

u

u

=+

=

=

35 3

6326 10

0 707 6

.

. ( )( )

= 1.38 x 106 mm4 Tegasan maksimum berlaku pada bucu kimpalan (bahagian paling jauh daripada G - pada bucu)

′′ = ⇒τ TcJ

c = +37 5 252 2. = 45.1 mm

′′ = =τ Tx

( . ).

451138 10

1406

T = 4.28 x 106 N.mm atau T = 4280 N.m

Contoh 8-4

Rajah menunjukkan sebuah pendakap menyokong beban F = 60 kN yang dibahagi sama pada setiap bahagian. Sekiranya tegasan ricih dibenarkan adalah 140 MPa dan faktor keselamatan n = 3.0, tentukan saiz minimum logam kimpal yang sesuai.

Page 21: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-21

mkaj 2002

Penyelesaian

r1 = 55 mm r2 = 73 mm

x bb d

mm=+

=2

222 5.

y d mm= =2

50

A h= +0 707 150 100. ( ) = 177h mm2

J h Ju= 0 707. ( ) = 4.33 x 105 h mm4

′ =τ FA

Oleh itu ′ =τ 169h

′′ = ′ =τ τ DMrJ

′′ = ′′ =

′′ = ′′ =

τ τ

τ τ

A D

B D

h

h

392

295

Pada B dan C : θ = + ∅ =90 114 2. �

τ θB h h h h

h

=

+

=

292 169 2 295 169

396

2 21

2

. cos

Pada A dan D: α γ= − =90 436. �

τ αA h h h h

h

=

+

=

392 169 2 169 392

299

2 21

2

. cos

Oleh itu tegasan pada B dan C adalah tertinggi iaitu 396h

:

Page 22: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-22

mkaj 2002

n MPa

mak= =

1403

τ

τmak = τB = τC

τ B h= =

1403

396

h = 8.5 mm

Contoh 8-5

Rajah disebelah menunjukkan sebuah pendakap yang dikenakan beban menegak 10 kN. Sekiranya tegasan ricih dibenarkan adalah 140 MPa, dapatkan saiz minimum kimpalan yang selamat.

Penyelesaian GBB

A = 1.414h (100) = 141.4h mm2

I = 0.707h 1006

3

= 1.18 x 105 h mm4

a. Tegasan ricih

τ = =10 0001414

71,. h h

b. Tegasan lentur M = (10) (75) + 10 (25) = 1000 kN. mm

Page 23: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-23

mkaj 2002

( )( )( )

σ bMcI x h

= =1000 10 50

118 10

3

5.

σ b h= 424

c. Tegasan paksi

( )( )

σ a h h= =

10 10

141471

3

.

Tegasan ricih maksimum menggabungkan tegasan-tegasan di atas menggunakan TTRM adalah :

τ σ τ

σ σ τ

max =

+

=+

+

=+

+

2

2

424 712

71

22

22

2 2

b a

h h

= 257h

kita diberi τmax = 140 MPa

oleh itu 140 = 257h

h = 257140

= 2.0 mm (minimum)

Page 24: Kuliah 8 Kimpalan

Kimpalan 8-24

mkaj 2002

Apakah perbezaan sekiranya arah daya-daya di atas diterbalikkan (berlawanan arah) ? Daya paksi akan mengurangkan kesan tindakan momen dan ini akan mengurangkan kesan tindakan tegasan lenturan pada kimpalan. Dalam hal ini, daya paksi tidak mungkin memberikan kesan mampatan kepada logam kimpal kerana plat keluli adalah tegar.

τσ σ

τmax =−

+b a

2

22

= 190h

τmax = 140 = 190h

h = 1.4 mm (minimum)

RUJUKAN 8-1 Materials and processes in manufacturing DeGarmo, E. Paul, Macmillan, New York, 1988 8-2 Nondestructive Testing Handbook, 2nd ed., (Multiple Volumes), American Society for Nondestructive

Testing (1982- )