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.