i

ANALISA PENGARUH PERLAKUAN PANAS HASIL

PENGELASAN DENGAN METODE FRICTION STIR

WELDING PADA ALUMINIUM PADUAN (Al-Fe) DENGAN

ALUMINIUM PADUAN (Al-Cu) TERHADAP SIFAT MEKANIS

Disusun sebagai salah satu syarat menyelesaikan Program Studi Strata I

pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik

Oleh:

ARFIANTO

D 200 140 056

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2019

i

ii

iii

1

ANALISA PENGARUH PERLAKUAN PANAS HASIL PENGELASAN

DENGAN METODE FRICTION STIR WELDING PADA ALUMINIUM

PADUAN (Al-Fe) DENGAN ALUMINIUM PADUAN (Al-Cu) TERHADAP

SIFAT MEKANIS

Abstrak

Friction stir welding (FSW) adalah proses penyambungan logam tanpa filler dan

tanpa meleleh. Salah satu faktor yang dapat mempengaruhi hasil pengelasan

adalah proses perlakuan panas annealing dan normalizing. Pada penelitian ini

dilakukan pengelasan pada pelat aluminium paduan (Al-Fe) dengan pelat

aluminium paduan (Al-Cu) dengan ukuran 150 × 50 × 30 mm dengan putaran

tools 1500 rpm dan feed rate 60 mm/menit. Penelitian ini bertujuan untuk

mengetahui pengaruh annealing dan normalizing pada temperatur 415°C terhadap

sifat mekanis dari sambungan pelat aluminium paduan (Al-Fe) dengan pelat

aluminium paduan (Al-Cu) menggunakan metode friction stir welding. Dari hasil

penelitian didapatkan bahwa tegangan tarik maksimum dan regangan maksimum

diperoleh oleh spesimen yang di normalizing sebesar 78,33 MPa dan 17,69%.

Dari hasil uji kekerasan Brinell didapatkan bahwa spesimen yang di perlakuan

panas mengalami penurunan nilai kekerasan dibandingkan dengan spesimen yang

tidak di perlakuan panas. Pada daerah las yang tidak di perlakuan panas nilai

kekerasannya sebesar 37,6 BHN, sedangkan pada spesimen yang di annealing

28,3 BHN dan normalizing 28,1 BHN. Dari pengamatan struktur mikro terdapat

daerah terang yang merupakan fasa Al dan daerah gelap yang merupakan fasa

Al2Cu pada aluminium paduan (Al-Cu) atau AlFe3 pada aluminium paduan (Al-

Fe).

Kata Kunci: friction stir welding, annealing, normalizing, aluminium paduan.

Abstract

Friction stir welding (FSW) is the process of connecting metals without fillers and

without melting. One of the factors that can affect the results of welding is the

process of heat treatment of annealing and normalizing. In this study welding was

carried out on aluminum alloy plates (Al-Fe) with aluminum alloy plates (Al-Cu)

with a size of 150 × 50 × 30 mm with a tool rotation of 1500 rpm and a feed rate

of 60 mm / minute. This study aims to determine the effect of annealing and

normalizing at temperatures of 415 ° C on the mechanical properties of aluminum

alloy plate (Al-Fe) joints with aluminum alloy plates (Al-Cu) using the friction

stir welding method. From the results of the study it was found that the maximum

tensile stress and maximum strain were obtained by the normalized specimens of

78.33 MPa and 17.69%. From the results of the Brinell hardness test it was found

that the specimens which were heat treated decreased the hardness value

compared to the specimens that were not heat treated. In the weld area which is

not heat treated the hardness value is 37.6 BHN, whereas in the specimens

annealed 28.3 BHN and normalizing 28.1 BHN. From the observation of

2

microstructure there are bright areas which are Al phases and dark regions which

are Al2Cu phases in aluminum alloy (Al-Cu) or AlFe3 in aluminum alloys

(Al-Fe).

Keywords: friction stir welding, annealing, normalizing, aluminium alloy.

1. PENDAHULUAN

Aluminium dan paduannya merupakan logam yang banyak digunakan dalam

bidang teknik karena mempunyai banyak keunggulan antara lain ringan,

mempunyai sifat mampu bentuk (formability) yang baik, kekuatan tarik relatif

tinggi, tahan korosi dan sifat mekaniknya dapat ditingkatkan dengan pengerjaan

dingin atau perlakuan panas, serta mempunyai sifat mampu las (weldability) yang

bervariasi tergantung pada jenis paduannya (Mandal,2005). Berbagai kelebihan

diatas menyebabkan aluminium dan paduannya banyak digunakan di bidang

industri manufaktur. Pengelasan dalam industri manufaktur memiliki peranan

penting pada proses penyambungan logam. Berdasarkan definisi dari Deutche

Industrie Normen (DIN) las adalah ikatan metalurgi pada sambungan logam atau

logam paduan yang dilaksanakan dalam keadaan lumer atau cair.

Proses pengelasan dikelompokkan menjadi dua, yaitu: Liquid State Welding

(LSW) dan Solid State Welding (SSW). Liquid state welding adalah proses

pengelasan logam dengan cara mencairkan logam induk secara bersamaan

sedangkan solid state welding merupakan proses pengelasan logam yang

dilakukan dalam kondisi logam induk tidak mencapai titik leburnya pada saat

tersambung. Salah satu metode solid state welding adalah friction stir welding

yang dipatenkan oleh TWI (The Welding Institute) di Inggris pada tahun 1991

(Freeman, 2003). Friction stir welding (FSW) merupakan proses penyambungan

logam tanpa filler dan tanpa meleleh. Proses penyambungan logam terjadi pada

fasa padat karena berlangsung pada temperatur dibawah titik lebur dari material

yang akan disambung. Proses pengelasan dilakukan dengan memasukkan pin tool

ke material yang akan disambung sampai shoulder menyentuh permukaan atas

material. Panas disebabkan oleh gesekan antara tool dan benda kerja. Karena

panas tersebut material disekitar sambungan menjadi panas dan lunak, kemudian

3

tool akan digerakkan berputar mengaduk bagian tersebut sehingga terbentuklah

sambungan las.

Friction stir welding (FSW) sudah banyak diaplikasikan dalam dunia industri,

biasanya diaplikasikan untuk menyambungankan material aluminium dan

paduannya. Di negara maju telah mengaplikasikan pengelasan friction stir

welding (FSW) ini pada industri pembuatan kapal, kereta api, pesawat terbang,

pasawat luar angkasa, bahkan di dunia otomotif pun sudah mengaplikasikan

metode penegelasan ini. Tetapi untuk mendapatkan sambungan yang baik tidak

mudah dilakukan. Karena parameter – parameter proses pengelasanya harus

disesuaikan dengan jenis sambungan yang diinginkan, material yang disambung,

desain dan material tool. Parameter pengelasan, geometri alat, dan desain

sambungan memiliki pengaruh yang besar terhadap pola aliran material dan

distribusi temperatur sehingga mempengaruhi evolusi struktur mikro material (P.

Prasanna, 2013). Selain pemilihan parameter yang tepat untuk mendapatkan hasil

pengelasan friction stir welding (FSW) yang baik juga diperlukan proses heat

treatment untuk mendapatkan hasil pengelasan yang sifat fisis dan mekanisya bisa

diubah sesuai dengan kebutuhan untuk proses selanjutnya. Proses heat treatment

adalah suatu proses pemanasan dan pendinginan yang terkontrol, dengan tujuan

mengubah sifat fisik dan sifat mekanis dari suatu bahan atau logam sesuai dengan

yang dinginkan. Dalam proses heat treatment meliputi heating, holding, dan

cooling.

Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui pengaruh perlakuan panas pada

hasil pengelasan dengan metode friction stir welding (FSW) pada pelat aluminium

paduan (Al-Fe) dengan pelat aluminium paduan (Al-Cu) terhadap sifat mekanis.

Dari penelitian ini, penulis berharap mendapatkan kesimpulan sifat mekanis dari

hasil pengelasan dengan metode friction stir welding yang di perlakuan panas dan

tanpa perlakuan panas.

4

2. METODE

2.1 Diagram Alir Penelitian

2.2 Bahan & Alat Penelitian

2.2.1 Bahan

Gambar 1. pelat aluminium (Al-Fe) & pelat aluminium (Al-Cu)

5

2.2.2 Alat

Gambar 2. Tool Gambar 3. Mesin milling

Gambar 4. Furnace Gambar 5. Alat uji tarik

Gambar 6. Alat uji kekerasan Gambar 7. Alat foto struktur mikro

6

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Data Hasil Pengujian Tarik dan Pembahasannya

Tabel 1. nilai tegangan hasil uji tarik

No Perlakuan A

(mm²)

P max (N)

Tegangan σ (MPa)

Tegangan Rata-Rata σ (MPa)

Lokasi Patahan

1

Non Heat Treatmant

45,83 1,58 34,48

72,99

Weld Nugget

2 48,25 4,68 96,99 Base Metal

1100

3 57,38 5,02 97,49 Weld

Nugget

4

Normalizing

48,32 3,93 81,34

78,33

Base Metal 1100

5 48,53 3,71 76,45 Base Metal

1100

6 47,40 3,66 77,21 Base Metal

1100

7

Annealing

43,40 3,01 69,35

73,47

Weld Nugget

8 47,42 3,53 74,44 Base Metal

1100

9 49,20 3,77 76,63 Base Metal

1100

Gambar 8. histogram tegangan tarik

72,9978,33

73,47

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Non Heat Treatmant Normalizing Annealing

Te

ga

ng

an

σ(M

Pa

)

Perlakuan

7

Tabel 2. nilai regangan hasil uji tarik

No Perlakuan L₀

(mm) ∆L

(mm) Regangan

ε (%)

Regangan Rata-Rata

ε (%)

1 Non Heat Treatmant

50 5,18 10,36

12,63 2 50 8,40 16,80

3 50 5,37 10,74

4

Normalizing

50 9,01 18,02

17,69 5 50 8,93 17,86

6 50 8,60 17,20

7

Annealing

50 4,16 8,32

14,20 8 50 8,74 17,48

9 50 8,40 16,80

Gambar 9. histogram regangan tarik

Dari histogram tegangan tarik menunjukkan nilai tegangan tarik

yang terbesar pada spesiemen yang di normalizing dengan nilai tegangan

tarik 78,33 MPa sedangkan annealing mempunyai nilai tegangan tarik

73,47 MPa. Bisa dilihat dari lokasi patahan, paling banyak terjadi daerah

base metal aluminium seri 1100 yang memiliki kekuatan tarik lebih

rendah jika dibandingkan base metal aluminium seri 2024. Dimana itu

12,63

17,69

14,20

02468

101214161820

Non Heat Treatmant Normalizing Annealing

Reg

an

gan

ε(%

)

Perlakuan

8

menandakan bahwa sambungan pengelasan berbeda seri antara

aluminium seri 1100 dengan aluminium seri 2024 dan perlakuan panas

menambah kekuatan sambungan pengelasan. Sedangkan spesimen yang

tidak di heat treatmant mempunyai nilai tegangan tarik terkecil 72,99

MPa. Spesimen yang di normalizing mempunyai nilai regangan yang

paling besar 17,69% dan spesimen yang di annealing mempunyai nilai

regangan 14,20%. Hal ini terjadi karena aluminium seri 2024 adalah

aluminium heat treatable alloys. Sedangkan spesimen yang tidak di heat

treatmant mempunyai nilai regangan yang paling kecil 12,63 %.

3.2 Data Hasil Uji Kekerasan dan Pembahasannya

Tabel 3. data hasil uji kekerasan Brinell (BHN)

No Perlakuan Daerah Diameter (mm) BHN BHN

Rata-Rata

1

Raw

Base 1100

0,73 36,54

36,20 2 0,73 36,54

3 0,74 35,53

4 HAZ 1100

0,68 42,23

41,41 5 0,69 41,00

6 0,69 41,00

7

Las

0,72 37,58

37,60 8 0,71 38,67

9 0,73 36,54

10 Haz 2024

0,71 38,67

50,22 11 0,56 62,66

12 0,63 49,34

13 Base 2024

0,63 49,34

52,77 14 0,60 54,48

15 0,60 54,48

1

Normalizing

Base 1100

0,81 29,52

29,52 2 0,80 30.28

3 0,81 29.52

4 HAZ 1100

0,84 27,39

26,32 5 0,86 26,09

6 0,87 25,48

7

Las

0,83 28,07

28,08 8 0,84 27,39

9 0,82 28,78

9

10 Haz 2024

0,78 31,90

35,00 11 0,72 37,58

12 0,74 35,53

13 Base 2024

0,65 46,30

44,02 14 0,68 42,23

15 0,67 43,53

1

Annealing

Base 1100

0,92 22,69

23,96 2 0,88 24,88

3 0,89 24,31

4 HAZ 1100

0,87 25,48

25,68 5 0,86 26,09

6 0,87 25,48

7

Las

0,81 29,52

28,33 8 0,83 28,07

9 0,84 27,39

10 Haz 2024

0,83 28,07

29,79 11 0,75 34,57

12 0,85 26,73

13 Base 2024

0,74 35,53

36,20 14 0,73 36,54

15 0,73 36,54

Gambar 10. Histogram Nilai Kekerasan

Spesimen yang tidak di heat treatmant memiliki nilai kekerasan

paling tinggi baik di daerah las dengan nilai kekerasan 37,6 BHN, daerah

HAZ (Al-Cu) dengan nilai kekerasan 50,2 BHN, daerah base metal (Al-

Cu) dengan nilai kekerasan 52,8 BHN, daerah HAZ (Al-Fe) 41,41 BHN,

0

10

20

30

40

50

60

Base (Al-Fe) HAZ (Al-Fe) Las Haz (Al-Cu) Base (Al-Cu)

Bri

nell

Ha

rdn

ess

Nu

mb

er

Daerah Las

Non HeatTreatmant

Normalizing

10

dan di daerah base metal (Al-Fe) 36,20 BHN. Hal ini dikarenakan

spesimen yang tidak di heat treatment mempunyai struktur mikro dengan

butir yang lebih kecil dan merata. Sedangkan spesimen yang di

normalizing dan annealing nilai kekerasanya menurun pada setiap daerah

lasnya. Hal ini dikarenakan spesimen yang di heat treatment memiliki

struktur mikro dengan butir yang yang lebih besar dan tidak merata.

3.3 Hasil Foto Struktur Mikro dan Pembahasannya

Gambar 11. struktur mikro daerah base metal Al-Cu (a) non

heat treatmant, (b) normalizing, (c) annealing (pembesaran 200 x)

a b

50 μm 50 μm

c

50 μm

50 μm 50 μm

50 μm

a b

c

11

Gambar 12. struktur mikro daerah base metal Al-Fe (a) non

heat treatmant, (b) normalizing, (c) annealing (pembesaran 200 x)

Gambar13. struktur mikro daerah HAZ Al-Cu (a) non

heat treatmant, (b) normalizing, (c) annealing (pembesaran 200 x)

Gambar14. struktur mikro daerah HAZ Al-Fe (a) non

heat treatmant, (b) normalizing, (c) annealing (pembesaran 200 x)

50 μm 50 μm

50 μm

a b

c

50 μm

50 μm

50 μm

a b

c

12

Gambar15. struktur mikro daerah las (a) non

heat treatmant, (b) normalizing, (c) annealing (pembesaran 200 x)

Dari pengamatan struktur mikro baik pada spesimen yang di

normalizing, annealing, maupun yang tidak di heat treatmant akan terlihat

adanya daerah gelap dan daerah terang. Daerah terang merupakan fasa

(fasa Al) dan daerah gelap merupakan fasa Al2Cu untuk aluminium paduan

(Al-Cu) dan fasa AlFe3 untuk aluminium paduan (Al-Fe). Struktur mikro

pada daerah base metal yang tidak mengalami perlakuan panas memiliki

bercak hitam yang merupakan fasa Al2Cu atau AlFe3 yang lebih merata

pada semua bagian dengan ukuran butiran kecil. Berbeda dengan struktur

mikro pada daerah base metal yang di normalizing dan annealing bercak

hitam (fasa Al2Cu atau fasa AlFe3) terkonsentrasi pada satu posisi dengan

ukuran butiran yang lebih besar. Struktur mikro pada daerah HAZ yang

tidak di heat treatment, annealing, normalizing terlihat perubahan ukuran

butir menjadi lebih besar dan perbedaan warna antara daerah las dan daerah

base metal ini terjadi karena proses friction stir welding (FSW)

menggunakan jenis aluminium yang berbeda yaitu antara aluminium

paduan (Al-Fe) dengan aluminium paduan (Al-Cu). Pada daerah weld

50 μm 50 μm

50 μm

a b

c

13

nugget yang mempunyai butiran paling halus terlihat pada spesimen yang

tidak di heat treatmant sedangkan butiran yang lebih kasar terlihat pada

daerah yang di normalizing dan annealing.

4. PENUTUP

4.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian dan analisa data yang telah dilakukan, bisa

diambil kesimpulan sebagai berikut :

1) Pengelasan pelat alumunium paduan (Al-Fe) dengan pelat aluminium

paduan (Al-Cu) dengan metode friction stir welding dapat dilakukan

dengan baik.

2) Hasil pengujian tarik diperoleh bahwa tegangan tarik rata-rata untuk

pengelasan friction stir welding dengan variasi perlakuan panas

normalizing 78,33 MPa, untuk variasi perlakuan panas annealing 73,47

MPa, dan tanpa perlakuan panas 72,99 MPa. Dan untuk regangan rata-

rata, nilai regangan rata-rata untuk variasi perlakuan panas normalizing

17,69 %, untuk variasi perlakuan panas annealing 14,20 %, dan tanpa

perlakuan panas 12,63 %. Dengan hasil ini diketahui nilai tegangan rata-

rata dan regangan rata-rata tertinggi pada hasil pengelasan yang di

normalizing.

3) Pengujian kekerasan menunjukkan nilai kekerasan pada spesimen yang di

annealing dan normalizing mengalami penurunan dibandingkan dengan

spesimen yang tidak mengalami perlakuan panas.

4) Dari pengamatan struktur mikro pada spesimen yang di perlakuan panas

dan tanpa perlakuan panas terdapat daerah terang yang merupakan fasa

Al dan daerah gelap yang merupakan fasa Al₂Cu pada aluminium paduan

(Al-Cu) atau fasa AlFe3 pada aluminium paduan (Al-Fe). Pada spesimen

yang di heat treatmant fasa Al2Cu atau AlFe3 terkonsentrasi pada satu

posisi. Sedangkan pada spesimen non heat treatmant fasa Al2Cu atau

AlFe3 lebih merata pada semua bagian.

14

4.2 Saran

Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan, penulis menyarankan

beberapa hal antara lain :

1) Perbanyak membaca referensi yang relevan dengan penelitan.

2) Pemilihan material tool joint pada proses friction stir welding harus

diperhatikan karena material tool joint harus lebih keras dibandingkan

dengan base metal.

3) Saat proses heat treatmant, tata spesimen di dalam furnace dengan

memberi rongga dan tidak menumpuk spesimen agar panas bisa lebih

merata.

4) Lakukan pengujian tarik, pengujian kekerasan, dan foto struktur mikro

sesui dengan prosedur agar data - data hasil pengujian tepat.

DAFTAR PUSTAKA

American Society for Metals Handbook Committee. 2004. Heat Treating, Volume

04. ASM International, The Materials Information Company.

American Society for Metals Handbook Committee. 2004. Welding, Brazing,

and Soldering, Volume 06. ASM International, The Materials

Information Company.

American Society for Metals Handbook Committee. 2004. Metallography and

Microstructures, Volume 09. ASM International, The Materials

Information Company.

Anggono, A. D., Riyadi, T. W. B., dkk. 2018. Influence of Tool Rotation and

Welding Speed on The Friction Stir Welding of AA 1100 and AA 6061-

T6. Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta.

ASTM International. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic

Materials. AASHTO No.: T68 An American National Standard.

Duniawan, A. 2016. Pengaruh Post Weld Heat Treatmant pada Pengelasan

Friction Stir Welding (FSW) Aluminium 2024. Teknik Mesin IST

AKPRIND Yogyakarta.

Freeman, R. 2003. Friction Stir Welding (FSW). TWI Bulletin, September-

October 2003, The Welding Institute (TWI) England.

15

Indra, M., Darsin, M., dkk. 2011. Sifat Mekanik dan Struktur Mikro Aluminium

1100 Hasil Pengelasan Friction Stir Welding dengan Variasi Feedrate.

ISSN: 1693-8739.

Jaya. 2015. Heat Treatmant. Teknik Mesin Universitas Lampung.

Kemenichny, I. 1969. Short Hand Book of Heat Treatmant. Moscow Peace

Publishers.

Mandal. 2005. Aluminium Welding 2 ed. Kharagpur, India.

Mandala, M., Siradj, E. S., dkk. 2016. Struktur Mikro dan Sifat Mekanis

Aluminium (Al-Si) pada Proses Pengecoran Menggunakan Cetakan

Logam, Cetakan Pasir, dan Cetakan Castable. Teknik Mesin Universitas

Tarumnanegara.

Mishra, Rajiv, S., dkk. 2007. Friction Stir Welding and Processing. ASM

International.

Nandan, R., Debroy, T., dkk. 2008. Recent Advances in Friction Stir Welding-

Process, Weldment, Structure and Properties. Department of Materials

Science and Metallurgy University of Cambridge.

Prassana, P., Penchallaya, Ch., Anandamohana Rao, D. 2013. Effect Tool Pin

Profiles and Heat Treatmant Process in The Friction Stir Welding of AA

6061 Aluminium Alloy. American Journal of Engineering Research.

Rajakumar, S., Balasubramanian, V. 2012. Correlation Between Weld Nugget

Grain Size, Weld Nugget Hardness, and Tensile Strength of Friction Stir

Welded Commercial Grade Aluminium Alloy Joints. Materials and

Design 34: 242-251.

Riswanda, Ilman, M., N. 2012. Studi Komparasi Sambungan Las Disamilar AA

5083 - AA 6061-T6 Antara TIG dan FSW. Industrial Research Workshop

and National Seminar.

Romadhona, I. 2018. Studi Pengelasan Friction Stir Welding pada AA 1100

dengan Fe Menggunakan Variasi Feedrate 25 mm/menit, 30 mm/menit,

dan 40 mm/menit. Tugas Akhir S-1, Universitas Muhammadiyah

Surakarta.

Sadessh, P., Kannan, V., dkk. 2013. Studies on Friction Stir Welding of AA 2024

and AA 6061 Dissimilar Metals. School of Mechanical and Building

Sciences, VIT University.

Sugito, B., Anggono, A.D., dkk. 2016. Pengaruh Kedalaman Pin (Depth Plunge)

terhadap Kekuatan Sambungan Las pada Pengelasan Gesek AL 5083.

Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Surdia, Tata, dkk. 1999. Pengetahuan Bahan Teknik. Jakarta: PT Pradya Paramita.

16

Surono, B., Nofri, M. 2014. Perubahan Nilai Kekerasan dan Struktur Mikro Al-

Mg-Si Akibat Variasi Tempertur Pemanasan. Teknik Mesin Institut

Sains dan Teknologi Nasional.

Tim Pengajar Bahan Teknik. 2011. Materi Pembelaran Mata Kuliah Bahan

Teknik I. Yogyakarta: Sekolah Vokasi UGM.

Triyoko, D. 2016. Analisa Sifat Mekanik dan Struktur Mikro pada Sambungan

Las Beda Properties Aluminium dengan Metode Friction Stir Welding.

Tugas Akhir S-1, Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Wiryosumarto, H., Okumura, T. 2000. Teknologi Pengelasan Logam. Jakarta : PT

Pradya Paramita