STUDI CACAT LASAN PADA BAJASTRUKTURAL DAN PENCEGAHANNYA

Mulianti(1)(1)Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik UNP

ABSTRACT

Cracked weld in a construction is the beginning of more serious damage. Starting onfissure from the cracked area on the heat affected zone of the connection joint and theremaining tension in the material. Cracked weld can be divided in two groups namelycold cracking and the hot cracking. Cold cracking was going on in the weld beat at thetemperature below the transformation temperature martensit (Ms), about 300 oC. It mayalso occured not only onl HAZ, but also on the weld metal. Hot cracking was going at thetemperature above 550 oC. Hot cracking devided into two classes, that is cracked due toloss restraints at heat affected zone on 550-700oC, and also crack that occured at thetemperature above 900 oC at the time of weld metal solidification.

Keywords: crack, fusion zone, solidification, restraint.

1. PENDAHULUAN

Cacat las adalah suatu keadaan yang mengakibatkanturunnya kualitas hasil lasan, dapat berupa kekuatanbahan dasar base metal, tampilan hasil las ataupersyaratan kekuatan suatu konstruksi.

Menurut Avner (1974), baja struktural mempunyaikomposisi dalam persentase berat sebagai berikut :0,22 % C; 1,6 % Mn; 0,6 % Si; 0,05 % S; 0,05 % P(C dan C-Mn steel), jika ditambah paduan (0,003-0,1% Nb; 0,003-0,2 % V) maka disebut MicroalloyedSteels (HSLA).

Pada daerah lasan terbagi menjadi 3 zona, yaitu zonalogam induk, daerah HAZ dan deposit las (fusionzone), Sindo (1987).

1.1 Daerah HAZ.

Menurut Sindo (1987), daerah HAZ merupakandaerah yang apabila dietsa akan memberikanpenampakan yang berbeda dengan logam induk danjuga dengan deposit las. Lebar dari HAZ tergantungpada : masukan panas dan teknologi yangdigunakan,. dimana daerah HAZ akan semakin lebardengan meningkatnya masukan panas. Distribusikekerasan pada daerah lasan dapat dilihat padaGambar (1). Harga kekerasan sebenarnya padatiap titik tergantung pada (Sindo,1987) :

- Komposisi baja (%C), kandungan paduan daninklusi.

- Temperatur puncak, waktu pada temperatur puncakdan kecepatan pendinginan.

Kekerasan yang terlalu tinggi akan mengakibatkanrendahnya ketangguhan dan kemungkinan terjadinyaretak meningkat. Untuk mencegah terjadinyahydrogen induced cold cracking, kekerasan Vickersharus lebih kecil atau setara dengan 350 HV.

Gambar 1. Distribusi Kekerasan (HV) dalam ZoneHAZ pada Baja Struktural.

Gambar 2. Variasi Mampu Keras pada HAZ Baja0,22C-1,4 Mn dengan Sulphure Baja

Sedangkan untuk mencegah terjadinya stresscorrosion cracking, kekerasan Vickers harus setaraatau lebih kecil dari 237 HV.

Studi Cacat Lasan Pada Baja Struktural dan Pencegahannya (Mulianti)

23

Pada kasus multi-run welds akan terjadi pengurangankekerasan karena adanya proses tempering oleh runberikut (Sindo, 1987) :

1.2. Fusion Zone.

Jika pengelasan dilakukan tanpa filler (autogeneous)dan jika gas pelindung berfungsi dengan baik, makakomposisi fussion zone akan tergantung padakomposisi logam induk. Jika tidak maka fussionzone tergantung pada kompsisi filler wire, derajatkelarutan dan kimia fluks serta gas pelindung.

Filler metal biasanya mengandung karbon lebih kecildari 0,1 %, dan akan membeku sebagai ferit. Sedangkan pada pendinginan akan terjaditransformasi ke dalam dua cara, yaitu (Sindo, 1987) :

a. Tumbuh secara epitaxial dari batas ferit.

b. Nukleasi dari batas butir ferit.

Hal ini akan mengakibatkan hilangnya ferit.atau bertambahnya fasa ferit.. Bentuk butir (austenit) umumnya columnar. Pada pendinginan lebih lanjuttransformasi austenit akan terjadi dan kemungkinanproduk transformasinya dapat dilihat pada Tabel(1) dan Gambar (7) yang merupakan strukturmikro akhir (Sindo, 1987).

Tabel 1 Microstructure of Ferrite Steel Weld Metal.Designation proposedby Abson and Dolby

Code Alternative or earlierdesignation

grain boundary ferritepolygonal ferriteacicular feriteferrite with alignedmartensit,austenitic and carbidesferrite carbidesaggregate (includepearlitemarteside

GF

PFAFAC

FC

M

proeutectoid ferrite, ferriteveins, blocky ferrite,polygonal ferriteferrite islandacicularferrite side blades, upperbainite, feathery bainite,lamellar productpearlite, ferrite andinterphase carbidemartenside

Pada prinsipnya struktur mikro akhir dari logam las,diharapkan berupa AF (acicular ferrite), yanglainnya harus diusahakan seminimal mungkin.

Gambar 3. Skema Diagram CCT untuk Deposit Lasyang Berhubungan dengan Fase Acicular Ferrite.

Adapun usaha yang yang dapat dilakukan untukmemaksimalkan AF adalah (Avner,1974) :

a. Meningkatkan prosentase Mn diantara 0,66 %

sampai 1,82 %, sehingga AF meningkat dari 23 %

sampai 72 %,seperti yang terlihat pada

Gambar (4).

b. Menambahkan Mo hingga 0,5 %.

c. Menggunakan penambahan Ti/B, ditambahkan

dalam fluks.

d. Memperoleh nukleasi AF dari jenis inklusi tertentu

yang berasal dari fluks.

Gambar 4. Pengaruh Kandungan Mn dalamStrukturmikro pada Top Beat

2. KEGAGALAN ATAU CACAT LAS

Menurut Sindo (1987), cacat yang terjadi pada hasilpengelasan, diantaranya yaitu :

1. Solidification (centre-line) cracking.

Hot cracking atau retak panas yang terjadi padatemperatur tinggi, biasanya terjadi disepanjang centreline as-cast bead. Namun retak panas dapat jugaterjadi diantara butir columnar yang dikenal denganistilah dovetail cracking. Solidification crackingterjadi pada area logam las (weld beat) yang terakhirterjadi pembekuan. Selama proses pembekuan yangkontinyu, akan timbul tegangan pada logam disepanjang kampuh las akibat restraint dari logam lasyang mengalami pendinginan. Level teganganmeningkat dengan derajat restraint yang tergantungpada geometri sambungan dan rigiditasnya.

Restraint akan rendah jika volume logam las (weldmetal) besar dibandingkan dengan ketebalan pelatdan tinggi volume logam las kecil dibandingkanketebalan pelat . Ini terjadi bila pelat di klem. Jika

Jurnal Teknik Mesin Vol.6, No.1, Juni 2009 ISSN 1829-8958

24

tegangan yang terjadi pada daerah logam cair yangterakhir membeku melebihi kekuatan putus darilogam, maka akan terjadi retak. Faktor lain juga

dapat disebabkan rentang temperatur rapuh yangbesar (large brittle temperature range) seperti yangterlihat pada Gambar (5)

Gambar 5. Perbandingan Sifat-sifat Mekanik Daerah Solidus

Faktor yang menyebabkan kemungkinansolidification cracking adalah efek dari komposisikimia dari baja itu sendiri seperti unsur S, P dan ratioMn/S.

Unsur karbon juga dapat berpengaruh terhadapterjadinya keretakan. Kelarutan S dalam delta feritsebesar 0,18 % dan dalam austenit sebesar 0,05 %.Jika pembekuan dari fasa cair menjadi delta ferit,maka kadar S yang tinggi dapat ditolerir, sedangkanjika fasa cair langsung menjadi austenit, dan jikakandungan C lebih besar dari 0,11 %, maka selamapembekuan S akan ditolak yang menyebabkankemungkinan retak menjadi meningkat. Denganmeningkatnya kadar karbon, maka ratio Mn/S yangdibutuhkan untuk melindungi terjadinya retak jugameningkat seperti yang terlihat pada Gambar (6),sedangkan mekanisme terjadinya solidificationcracking dapat dilihat pada Gambar (7).

Gambar 6. Pengaruh Ratio Mn/S dan Kandungan Karbondalam Lasan yang Menyebabkan Retak Panas

Gambar 7. Solidification Cracking

2.. Liquation Cracking.

Cacat jenis ini jarang dijumpai seperti halnyasolidification cracking. Liquation cracking dapatterjadi di daerah HAZ atau daerah logam yangmengalami pemanasan ulang. Untuk keduanya, retakdapat terjadi pada daerah berdekatan dengan bataslebur (fushion boundary). Hal ini disebabkan padadaerah batas lebur merupakan sumber segregasi yangterdiri dari partikel yang memiliki titik lebur yanglebih rendah sehingga pada proses pemanasan ulang,ini dimungkinkan partikel tersebut meleburmembentuk lapisan pada batas butir. Kemudiansewaktu pendinginan, lapisan yang lebur tersebutretak ketika membeku karena adanya konstraksi daritegangan yang terbentuk. Pada baja, jenis cacat inidapat terbentuk jika kadar S dan P tinggi, tetapi jugadapat terjadi pada paduan aluminium dan paduanberbasis nikel.

Studi Cacat Lasan Pada Baja Struktural dan Pencegahannya (Mulianti)

25

3. Hydrogen Induced cold cracking

Cold cracking merupakan retak yang terjadi padatemperatur rendah, yaitu pada waktu logam telahmendingin lebih rendah dari 150 oC dalam waktumulai beberapa menit hingga beberapa hari. Jeniscacat ini merupakan proses yang tergantung padawaktu. Waktu ini merupakan waktu yang di-perlukan hidrogen berdifusi. Pada umumnya terjadipada daerah HAZ, dan dapat pula terjadi pada logamlas.

Retak pada dasarnya tergantung pada tiga hal yangsaling berinteraksi, yaitu :

- Hadirnya hidrogen yang dapat berdifusi.

- Tegangan sisa yang tinggi

- Struktur mikro yang sensitif terhadap retak

(HV > 350).

a. Hidrogen pada logam las.

Kelarutan hidrogen dalam Fe merupakan fungsitemperatur dan struktur mikro, Gambar (8).

Gambar 8. Kelarutan Karbon dalam Besi

Difusifitas juga merupakan fungsi duavariabel,sumber hidrogen berasal dari penguraianhidrokarbon atau uap di dalam busur. Ini mungkinberasal dari pelat atau filler yang kotor, uap air dariatmosfir atau fluks. Tetapi kebanyakan berasal darifluks. Kadar hidrogen dalam lgam las tergantungpada proses las yang digunakan.

b. Level tegangan sisa, sama seperti pada

solidification.

c. Kekerasan struktur mikro.

Hal ini tergantung pada kecepatan pendinginan danhardenability. Kecepatan pendinginan sangat

dipengaruhi oleh masukan panas, dimana makintinggi masukan panas makin rendah kecepatanpendinginan. Selain itu juga dipengaruhi oleh tebalpelat, makin tebal pelat kecepatan pen-dinginanmakin rendah. Dan juga oleh degree preheat yangdigunakan, pada temperatur preheat yang tinggi makakecepatan pendinginan rendah. Hardenability sangattergantung pada komposisi kimia dan besar butiraustenit. Makin besar ukuran butir austenit, makinrendah hardenabilitynya. Hardenability jugaberhubungan erat dengan Carbon Equivalen Value(CEV) baja.

15206%

NiCuCrCuMnSiCCEV ...(1)

untuk komposisi kimia yang lebih luas berdasarkanIto/Bessyo dalam Sindo (1987) adalah :

BVMoNiCrCuMnSiCPcm 51015602030

...(2)

Untuk baja struktur maksimum CEV sebesar 0,35merupakan per-syaratan yang harus dipenuhi untukmenghindari terjadinya hydrogen induced coldcracking.

Untuk mencegah hydrocarbon induced cold crackingmenurut B.S. 5135:1974 yaitu untuk pengelasan bajaC-Mn dan baja karbon struktur adalah :

- Hitung CEV baja dan pilih proses las yangmenentukan level hidrogen.

- Dari kombinasi CEV dan level hidrogen tersebutpilih grafik yang sesuai antara t vs masukanpanas. Plot ketebalan pelat efektf dan masukanpanas pada grafik tersebut dan kemudiantentukan level pemanasan awal yang diperlukan.

Untuk menghindari retak pada sambungan double-side V diperlukan Pw

Jurnal Teknik Mesin Vol.6, No.1, Juni 2009 ISSN 1829-8958

26

equivalent atau sensitifitas retak, kadar hydrogendifusi atau tegangan sisi (Wahyudi, 2007).

Cacat ini merupakan cacat dengan patahanmenyerupai anak tangga (step-like fracture) yangdapat terjadi pada ujung HAZ. Cacat jenis inibermula dari inklusi MnS yang berbentuk flat akibatproses rolling atau jenis inklusi lainnya yangkemudian mengalami perpatahan antar muka antaramatriks dengan inklusi. Pertumbuhan retak terjadipada arah vertikal ataupun bersudut, ductile tearingterjadi pada arah parallel pada celah antara matriksdan inklusi yang mengakibatkan terbentuknya retakyang menyerupai anak tangga. Retak ini terjadisesaat setelah proses pengelasan. Adapunpenyebabnya adalah (Avner, 1974) :

a. Pelat baja yang memiliki keuletan rendah padaarah tebal atau vertikal atau arah sumbu z

b. Batas lebur yang mendekati sejajar denganpermukaan pelat.

Untuk menghindari terjadinya lamelar tearingadalah: pelat baja yang dihasilkan harus memilikikeuletan yang tinggi pada arah sumbu z, reduction inarea > 20 %. Baja harus desulphurisasi ke levelyang terendah dan kemudian dilakukan Ca atau Ce-treated untuk meyakinkan sulphida sisa yangterbentuk pada hot rolling berada dalam bentukglobular (Avner, 1974).

3. KESIMPULAN

1. Kekerasan yang terlalu tinggi akanmengakibatkan rendahnya ketangguhan dankemungkinan terjadinya retak meningkat. Untukmencegah terjadinya hydrogen induced coldcracking, kekerasan Vickers harus lebih kecilatau setara dengan 350 HV. Sedangkan untukmencegah terjadinya stress crrosion cracking,kekerasan Vickers harus setata atau lebih kecildari 237.

2. Hot cracking atau retak panas yang terjadi padatemperatur tinggi, biasanya terjadi disepanjangcentre line as-cast bead. Dapat juga terjadidiantara butir columnar yang dikenal denganistilah dovetail cracking. Sedangkansolidification cracking terjadi pada area logamlas (weld beat) yang terakhir membeku.

3. Restraint akan rendah jika volume logam las(weld metal) besar dibandingkan denganketebalan pelat dan tinggi volume logam laskecil dibandingkan ketebalan pelat . Ini terjadibila pelat diklem. Jika tegangan yang terjadipada daerah logam cair yang terakhir membekumelebihi kekuatan putus dari logam, maka akanterjadi retak.

4. Untuk menghindari retak pada sambungandouble-side V diperlukan Pw< 0,3; sedangkanuntuk baja HSLA dan baja C-Mn Pw < 0,35

5. Untuk menghindari terjadi lamelar tearingadalah : pelat baja yang dihasilkan harusmemiliki keuletan yang tinggi pada arah sumbuz, reduction in area > 20 %. Baja harusdesulphurisasi ke level yang terendah dankemudian dilakukan Ca atau Ce-treated untukmeyakinkan sulphida sisa yang terbentuk padahot rolling berada dalam bentuk globular.

PUSTAKA

1. Avner, Sidney H., Introduction to PhysicalMetallurgy, McGraw Hill International Edition,New York, 1974.

2. Bakti,A. Y., Pengetahuan Bahan dan BahanTambah, Balai Besar Logam dan Mesin, BadanPenelitian dan Pengembangan Industri danPerdagangan., 2004.

3. Kou, Sindo, Welding Metallurgy, John Wiley &Sons, New York, 1987.

4. Wiryosumarto, Harsono and Okunura,Toshie, Teknik Pengelasan Logam, PradnyaParamitha, Cetakan Kelima, Jakarta, 1991.

5. Metals Handbook Ninth Editions, Vol.9,Metallography and Microstructures,

6. Wahyudi W., Article in the DefinitionCategory, http: wandiwahyudi.web.id, 2007