81Naskah Diterima : 12.5.2011Revisi Terakhir : 22.6.2011

Kekuatan Sambungan Las Thermit Rel R 54 Untuk Jalur Lintas Angkutan Batubara (Dwi Purwanto)

KEKUATAN SAMBUNGAN LAS THERMIT REL R 54UNTUK JALUR LINTAS ANGKUTAN BATUBARA

Dwi Purwanto

Balai Besar Teknologi Kekuatan Struktur – BPP TeknologiKawasan PUSPIPTEK Gedung 220 Tangerang Selatan

E-mail: dwipurwan@yahoo.co.id

Abstrak

Teknologi rel panjang saat ini biasa digunakan pada struktur jalan rel,dimana cara pembuatannya dilakukan dengan menyambung rel-rel standardengan pengelasan setempat. Las thermit adalah salah satu metode pengelasanyang umum digunakan untuk menyambung rel. Pengelasan pada sambungan relmerupakan titik lemah terutama pada daerah pengaruh panas (HAZ), sebab jikaterjadi beban kejut dapat mengakibatkan patah. Persoalan lain adalah mengatasibahaya tekuk, akibat gaya longitudinal karena perubahan suhu. Makalah inimembahas kajian kekuatan sambungan las thermit rel R 54. Metode evaluasimeliputi pemeriksaan cacat pengelasan, uji kekerasan dan uji kekuatan lentur.Dari hasil uji kekuatan lentur dapat disimpulkan bahwa tegangan rata-ratasambungan rel sebesar 8944,57 kg/cm

2, sedangkan tegangan lentur akibat

beban gandar 1193 kg/cm2

dan tegangan longitudinal akibat perubahantemperatur sebesar 441 kg/cm

2sampai 1102 kg/cm

2. Dengan demikian

sambungan las thermit rel R 54 dapat dioperasikan pada lintas angkutanbatubara, sepanjang tidak diketemukan adanya indikasi cacat pengelasan.

Kata kunci : las thermit, metode kajian, kekuatan sambungan rel.

Abstract

Long rail technology is now commonly used for a rail track structure,where its manufacture method is carried out by connecting standard rails usingin-situ welding. Thermit welding is one of welding methods generally used tojoint rails. Welding at rail joint actually is low point of strength especially in heataffected zone, because if there is an impact load the joint can fracture. The otherproblem is to solve the buckling risk as a consequence of longitudinal forcecaused by a temperature change. This paper it discusses an assessment ofstrength of thermit welding at rails R 54. Assessment methods include inspectionof welding defect, hardness test and bending strength test. From the bendingstrength test results, it can be concluded that the average stress of rail joint is8944,57 kg/cm

2, whereas a bending stress affected by an axle load is 1193

kg/cm2

and a longitudinal stress caused by the temperature change is 441 kg/cm2

until 1102 kg/cm2. Referring to these assessment results, the thermit welding joint

at rail R 54 is able to operated on the rail track of coal transportation as long asno indication of welding defect.

Keyword: thermit welding, assesment method, rail joint strength.

1. PENDAHULUAN

Rel merupakan komponen daristruktur jalan kereta api yang pertama kalimenerima transfer berat dari rangkaiankereta yang lewat di atasnya. Batang relterbuat dari baja bertekanan tinggi yangmengandung 0,4 - 0,82% C, 0,6 - 1,7% Mn,0,05 - 0,5% Si, 0,05% max S dan 0,05%max P. Carbon merupakan unsur yang

dominan dalam baja, sedang unsur lainyang memepengaruhi adalah:

* P, Mo dan V unsur ini dapat membentuksifat keuletan pada baja.

* Ni dan Mn unsur ini bersifat memperbaikisifat keuletan pada baja.

* P akan membuat baja bersifat getas padasuhu rendah.

82

M.I. Mat. Kons. Vol. 11 No. 2 Desember 2011 : 81 - 89

* S bersifat menurunkan keuletan baja padaarah tegak.

Standar panjang rel menurut PD 10 th 1986adalah:- Rel standar adalah rel yang mempunyai

panjang 25 m.- Rel pendek adalah rel yang mempunyai

panjang 100 m.- Rel panjang adalah rel yang mempunyai

panjang minimum 200 m.

Saat ini banyak digunakan teknologi relpanjang (long welded rails), dimana carapembuatannya dilakukan denganmenyambung rel-rel standar denganpengelasan setempat. Beberapa teknologipengelasan rel panjang yang umumdilakukan adalah SMAW, Flass Butt Weldingdan Thermit Welding

[1].

2. BAHAN DAN METODE

2.1 Bahan Evaluasi

Evaluasi dilakukan terhadap 4sampel sambungan las thermit rel R 54 yangdiambil secara acak dari lokasi proyekpembangunan jalan rel untuk angkutanBatubara. Las thermit adalah prosespenggabungan logam dengan caramemanaskan logam secara berlebihansehingga mencair dengan menggunakanreaksi aluminothermis antara oksida metaldan aluminium. Reaksi yang terjadi secaraumum adalah sebagai berikut:

Oksida logam + Bubuk Aluminium ?Aluminium Oksida + Logam + Panar ?.3 Fe3O4 + 8 Al ? 9 Fe + 4 Al2O3 ΔH =3350 KJ3 FeO + 2 Al ? 3 Fe + Al2O3. ΔH =880 KJFe2O4 + 2 Al ? 2 Fe + Al2O3. ΔH =850 KJ

Reaksi aluminothermis berlangsung danselesai apabila afinitas oksigen padapereduksi (Al) lebih besar dari afinitasoksigen logam yang direduksi (Fe). Panasdihasilkan dari reaksi ekshothermis sebagaihasil dari reaksi Fe dan Al2O3. Untukmemulai reaksi diperlukan bubuk penyalaatau ignition rod. Ignition rod akanmenghasilkan panas untuk meningkatkanbubuk thermit yang akan mengalami kontakpada temperatur sekitar 2200

oF. Untuk

menyelesaikan proses pengelasan selainharus dibersihkan dari karat, grease dankotoran, juga pada bagian ujung harus

dipanasi terlebih dahulu untuk menciptakankondisi yang baik agar terjadipenggabungan antara cairan baja danlogam induk.Pengelasan dilakukan dengan mengikutiprosedur sebagai berikut:

1. Atur jarak celah rel yang akan disambungsekitar 22 – 25 mm.

Gambar 1: Mengatur jarak celah.

2. Pasang cetakan disekitar sambungan.

Gambar 2 : Memasang cetakan dilokasisambungan.

3. Isi tempat peleburan (curcible) denganoksida logam dan bubuk aluminium.

Gambar 3 : Curcible berisi oksida logamdan bubuk aluminium.

Dalam pengelasan thermit proporsi daricampuran terdiri dari tiga bagian besi oksidadan satu bagian aluminium. Elemen-elemenpaduan dapat ditambahkan kedalampersenyawaan thermis untuk mencocokanbagian yang di las. Campuran thermit yangbiasa digunakan untuk tipe baja rel adalahbaja C-Mn, Cr-Mo dan juga Cr-V.Penambahan tersebut dapat menurunkanjumlah posfor pada baja yang dihasilkanpada proses thermit.

1. Panaskan campuran menggunakanbrander sampai 900º C.

Gambar 4 : Pemanasan menggunakanbrander.

Pada suhu 900º C ini akan tercetus reaksiekshothermis dan berlangsung selamakurang lebih 15 menit. Dalam pada itutemperatur reaksi akan mencapai 2500º C.

2. Buka cetakan dan bersihkan kelebihanbesi hasil reaksi menggunakan gerinda.

Gambar 5: Hasil sambungan rel las thermit.

Kualitas pengelasan thermit padahakekatnya bergantung pada kemampuantukang las dalam mengikuti cara danmetode pengelasan yang dianjurkan.

2.2 Metode Pengujian

Metode pengujian yang dilakukanmeliputi:

� Permeriksaan cacat pengelasan

� Uji kekerasan

� Uji kekuatan lentur sambungan las

2.2.1 Pemeriksaan Cacat Pengelasan

Tujuan pemeriksaan adalah untukmendeteksi adanya discontinuity, disintegrityserta unhomogenity hasil pengelasan baikdipermukaan maupun di dalam bahanlogam. Pemeriksaan cacat pengelasandilakukan dengan metode impuls echo

[2].

Metode ini didasarkan pada prinsip bahwabilamana impul gelombang yangdipancarkan oleh probe merambat kedalambenda, maka sebagian dari impulgelombang akan direfleksikan olehpermukaan yang lain atau cacat, kemudiankembali ke probe lagi. Impul gelombangyang kembali ke probe akan dirubahmenjadi electrical impuls yang dalam layaroscilloscope ditunjukan oleh spot dimanakecepatannya dapat diatur sesuai dengankeperluan.

Adapun prosedur yang dilakukanadalah sebagai berikut:

1. Pemeriksaan peralatan dilakukanterhadap :> Linieritas skala horisontal (toleransi ±

10% divisi skala pembacaan).> Linieritas skala vertikal (toleransi ± 5%

pada 20% - 80% FSH /full scale hight)> Linieritas Gain (toleransi±20%

perbandingan amplitudo nominal).> Resolusi

2. Kalibrasi probeKalibrasi probe dilakukan menggunakan

angle beam calibration block (V1/V2 blok),dengan prosedur sebagai berikut:> Kalibrasi probe 70

0sesuai dengan

ketebalan basic calibration blockmenggunakan rumus:

070

2

Cos

TCal �

T = thickness of calibration block> Tentukan faktor kalibrasi

menggunakan rumus:

DIV

TRFk �

TR= test rangeDiv = division

83

Kekuatan Sambungan Las Thermit Rel R 54 Untuk Jalur Lintas Angkutan Batubara (Dwi Purwanto)

> Letakan probe mengarah ke kuadran25 dari angle beam calibration block,atur posisi pulsa menggunakantombol sweep range & sweep delaypada posisi:

kF

mmS

251 �

kF

mmmmmmS

)2550(252

���

> Letakan probe mengarah ke kuadran50 dari angle beam calibration block,atur posisi pulsa menggunakantombol sweep range & sweep delaypada posisi:

kF

mmS

501 �

3. Pemeriksaan cacat

Pemeriksaan cacat dilakukan denganscaning pada scaning area denganmangamati adanya indikasi pulsa cacat.Dengan ketentuan sebagai berikut:* Pulsa cacat 0 s/d 25% DAC (distance

amplitude curve) atau 20% full scale highabaikan.

* Pulsa cacat 25 s/d 50 % DAC atau 40%full scale high harus di analisa.

* Pulsa cacat 50 s/d 100 % DAC atau 80%full scale high harus di reparasi.

Gambar 6 : Pemeriksaan cacat pengelasan.

2.2.2. Uji Kekerasan

Tujuan uji kekerasan adalah untukmengetahui perubahan struktur logamakibat panas melalui kekerasannya. Ujikekerasan dilakukan menggunakanperalatan ”Proceq Equotip HardnessTester”.

Gambar 7 : Uji kekerasan.

Prosedur uji kekerasan yangdilakukan adalah sebagai berikut:

1. Penggerindaan permukaan benda uji.Pada tingkat pekerjaan ini dipakai mesingerinda manual, sedangkan sebagaimedium digunakan kertas ampelassilicon carbit (SiC) dengan berbagaitingkat kekasaran yaitu kombinasi dari100, 220, 320, 500, 600, 800, 1000 &1200. Dalam proses ini pertama-tamadipakai kertas ampelas yang paling kasardengan goresan yang kasar kemudianberangsur-angsur dipakai kertas ampelasyang paling halus sampai pada hasilakhir dari proses penggerindaandiperoleh permukaan dengan goresanyang halus searah dan homogen. Untukmenghindari timbulnya panas, selamapenggerindaan berlangsung selalu dialiridengan air bersih secara terus menerus.

2. Pencucian.Dalam proses pencucian ini digunakanaceton, karena sambungan las thermittermasuk bahan yang porous ataupunmengandung retakan dan jenis cacatlainnya.

3. Pengujian kekerasan dilakukan padadaerah base metal, weld metal dan padadaerah H A Z (heat affected zone). Halini dilakukan dengan tujuan untukmendapatkan distribusi kekerasan padasetiap titik dari masing-masing benda uji.

2.2.3 Uji Kekuatan Lentur

Tujuan uji kekuatan lentur adalahuntuk mengetahui kekuatan sambungan reldalam menerima beban tekan statis.

84

M.I. Mat. Kons. Vol. 11 No. 2 Desember 2011 : 81 - 89

Gambar 8: uji lentur.Set up

Prosedur uji lentur adalah sebagai berikut:1. Set up benda uji dengan posisi seperti

ditunjukan pada gambar 8: ujilentur.

2. Ditengah bentang benda uji dipasanguntuk

mengukur defleksi benda uji.3. Beban dibangkitkan melalui

dengan laju pembebanankonstan hingga mencapai bebanmaksimum yang mampu ditahan bendauji.

4. Selama pengujian berlangsungdilakukan perekaman grafik Gaya VsDefleksi menggunakan X-Y recorder.

5. Beban maksimum ditunjukan padakurva, dimana kedudukan kurva padatitik maksimum sedang beban yangdiijinkan ditunjukan pada daerah linierdari kurva.

Set Up

displacement transducer

rampgenerator

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Hasil Pengujian

Tabel 1 : Hasil pemeriksaan cacat pengelasan

85

Kekuatan Sambungan Las Thermit Rel R 54 Untuk Jalur Lintas Angkutan Batubara (Dwi Purwanto)

Tabel 2: Hasil uji kekerasan

Nilai Kekerasan ( HB )No Benda Uji

Base Metal Heat Affected Zone Weld Metal

276 322 320

270 315 3141 Rel 1

270 315 312

Rata-rata 272 317 315

266 311 307

276 315 3082 Rel 2

270 317 311

Rata-rata 270 314 308

269 310 304

272 309 2933 Rel 3

270 311 305

Rata-rata 270 310 300

269 310 304

269 310 2954 Rel 4

270 311 303

Rata-rata 269 309 300

Tabel 3 : Hasil uji kekuatan lentur

No Benda Uji Beban ( kN ) Defleksi ( mm ) Tegangan kg/cm2

1. Rel 1 554 4,5 4498,59

2. Rel 2 1071 8,5 8696,73

3. Rel 3 1108 8,5 8928,68

4. Rel 4 1134 9,0 9208,31

1 kN = 101,9716 kg

Tegangan lentur dihitung menggunakanpersamaan:

x

O

I

YM�� (1)

FLMo 41� (2)

� = Tegangan lentur (kg/cm2)

oM = Momen lentur (kg.cm)

Y = Jarak tepi bawah rel ke garis netral(7,62 cm)

xI = Momen Inersia (2346 cm4)

F = Beban lentur

L = Jarak tumpuan (100 cm)

Gambar 9 : Grafik Gaya Vs Defleksi Rel 1

86

M.I. Mat. Kons. Vol. 11 No. 2 Desember 2011 : 81 - 89

Gambar 10 : Grafik Gaya Vs Defleksi rel 2

Gambar 11: Grafik Gaya Vs Defleksi Rel 3

Gambar 12: Grafik Gaya Vs Defleksi Rel 4

3.2 Pembahasan

Dalam struktur jalan rel gaya vertikalmerupakan beban yang paling dominan.Gaya vertikal berasal dari beban gandar(lokomotif, kereta, gerbong dan lain-lain).Gaya ini akan menyebabkan defleksi vertikalpada rel. Pada lintas angkutan batubaradigunakan Lokomotif CC 202 dengankecepatan rata-rata 120 km/jam danGerbong KKBW dengan berat muatanbatubara 50 ton.

Berat lokomotif CC 202 = 108 tonJumlah gandar = 6Beban gandar = 108/6 = 18 tonBeban 1 roda = 18/2 = 9 ton

Gambar 13 : Lokomotif CC 202.

Berat gerbong KKBW = 22 tonBerat muatan = 50 tonBerat total = 72 tonJumlah gandar = 4Berat gandar = 72/4 = 18 tonBeban 1 roda = 18/2 = 9 ton

Gambar 14 : Gerbong KKBW

Dalam perhitungan, rel dianggap sebagaisuatu balok tidak berhingga panjangnyadengan pembebanan beban terpusat danditumpu oleh struktur dengan moduluselastisitas jalan rel (track stiffness) yangbesarnya 180 kg/cm

2. Transformasi beban

roda dinamis dihitung menggunakanpersamaan TALBOT

[3]:

87

Kekuatan Sambungan Las Thermit Rel R 54 Untuk Jalur Lintas Angkutan Batubara (Dwi Purwanto)

Persamaan TALBOT:

� �501,0 ��� VPPPd (3)

dP = beban dinamis roda

P = beban roda

V = kecepatan (mil/jam)

��

���

���

���� 5

609,1

1209000.01,09000dP

kg24,15262�

Besarnya momen lentur dihitungmenggunakan persamaan:

�4

do

PM � (4)

� = dumping factor

4

4EI

k�� (5)

k = track stiffness ( 180 kg/cm2

)

E = elasticity moduls ( 2,1 × 106

kg/cm2

)

xI = Inertia moment ( 2346 cm4

)

� = 41

60098,0

2346.10.1,2.4

180 �� cm

Diperoleh harga momen lentur:

kgcmM o 50,4321500098,0.4

2,15262��

Besarnya tegangan lentur:

x

i

I

YM�� (6)

oi MM 85,0� , Momen lentur akibat super

posisi beberapa gandar.

Y Jarak tepi bawah rel ke garis netral

2/2346

62,7.50,4322150.85,0cmkg��

2/1193 cmkg�

Disamping gaya vertikal pada konstruksijalan rel dimana dipakai teknologi relpanjang, gaya longitudinal harusdiperhitungkan. Gaya ini terutamadisebabkan oleh perubahan suhu pada rel(thermal strees)

[4]. Selain itu gaya

longitudinal juga disebabkan oleh gaya

adhesi akibat gesekan roda dan rel sertagaya rem akibat pengereman kendaraan rel.

Di dalam ilmu fisika bahwa perubahanpanjang ΔL adalah sebanding dengan:

� Panjang rel (L)

� Perubahan temperatur (Δt)

� Koeffisien muai panas (ά)

tLL ��� � (7)

Menurut Hukum Hooke: Bila ada suatu gayaF, pemuaian suatu balok adalah berbandinglurus dengan panjang balok dan berbandingterbalik dengan luas penampang melintang.

A

LFkL

.�� (8)

Ek

1� ?

EA

FL

A

LF

EL ���

.1

L

LEAF

��

., Oleh karena tLL ��� �

L

tEALF

��

�? tEAF �� � (9)

l� = perubahan panjang

F = gaya yang bekerja

L = panjang rel

A = penampang rel

k = konstanta

ά = koeffisien muai (10,5 × 10-6

)

Panjang sambungan rel umumnya dibuat800 m, sedangkan perubahan temperatur relantara 20ºC hingga 50ºC. Dengan demikiangaya yang ditimbulkan akibat perubahantemperatur dapat dihitung.

Panjang rel = 800m = 80.000 cm.Perubahan temperatur 20ºC. Luaspenampang melintang rel R 54 = 6934 mm

2

Jadi perubahan panjang:

tLL ��� �cmL 8,1620105,10000.80 6 ������ �

tEAF �� �2010.5,1034,6910.1,2 66 ���� �

kgF 94,30578�

2/44134,69

94,30578cmkg

A

F����

Untuk perubahan temperatur t = 50ºC

kgF 35,76447� 9208,312/1102 cmkg��

88

M.I. Mat. Kons. Vol. 11 No. 2 Desember 2011 : 81 - 89

4. KESIMPULAN

DAFTAR PUSTAKA

Dari hasil pengujian yang telahdilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa :

Sebe lum d ioperas ikan se t iapsambungan rel harus dilakukanpemeriksaan untuk memastikan tidakadanya cacat pengelasan yang dapatmengak iba t kan be rku rangnyakekuatan dalam menahan beban.

Kekerasan rata-rata pada daerah( ) sebesar 309hingga 317 HB. Hal ini masih sesuaidengan standar kekerasan yangdi tetapkan Direktorat Jalan &Bangunan Kantor Pusat PJKA yaitusebesar 280 hingga 334 HB .

Tegangan lentur untuk Rel 2, Rel 3 danRel 4 masing-masing sebesar 8696,73kg/cm , 8928,68 kg/cm dan 9208,31kg/cm . Rata-rata 8944,57 kg/cmsementara tegangan lentur akibatbeban gandar yang diperoleh dari hasilperhitungan sebesar 1193 kg/cm dantegangan long i t ud i na l ak i ba tperubahan temperatur sebesar 1102kg/cm . Dengan demikian sambunganlas thermit rel R 54 dapat dioperasikanpada lintas angkutan batubara,sepanjang tidak diketemukan adanyaindikasi cacat pengelasan, meskipunt idak dapat d ipungki r i bahwakemampuan material dari suatukonstruksi selalu memiliki kekuatanmenahan beban dinamis yang jauhlebih rendah dari kekuatan menahanbeban statis.

1. Wiryosumarto, H., Okumura, T.Teknologi Pengelasan Logam, PradyaParamita, Jakarta 2010.

2. Blitz, J., Simpson G., UltrasonicMethod of Non-Destructive Testing,First Edition 1996.

3. Penjelasan Peraturan Dinas No. 10 –Perencanaan Konstruksi Jalan Rel,2009.

4. Soebagio, P. Prinsip-prinsip RelPanjang Menerus, Asosiasi ProfesiPerkeretaapian Indonesia, Bandung2010.

5. Direktorat Jalan & Bangunan KantorPusat PJKA, 1989.

�

�

�

HAZHeat Affected Zone

[5]

2 2

2 2

2

2

LAMPIRAN

RIWAYAT PENULIS

Dwi Purwanto

Gambar 15 : Penampang patahan benda ujidengan cacat

Gambar 16 : Penampang patahan benda ujidengan sedikit

Gambar 17 : Penampang patahan benda ujitanpa cacat pengelasan

, lahir di Purbalingga 08Desember 1957. Menamatkan pendidikanSarjana Teknik Fisika tahun 2005 di SekolahTinggi Teknologi Mutu Muhammadiyah.Bekerja di BPP Teknologi sejak tahun 1983.Saat ini bekerja sebagai Staf Bidang KajianStruktur di Balai Besar Teknologi KekuatanStruktur- BPPTeknologi.

Slag Inclusion

void

89

Kekuatan Sambungan Las Thermit Rel R 54 Untuk Jalur Lintas Angkutan Batubara (Dwi Purwanto)