PENGARUH DIAMETER SHOULDER DAN BENTUK … · Gambar 4.2 Vektor kecepatan material pada sisi advance...
Transcript of PENGARUH DIAMETER SHOULDER DAN BENTUK … · Gambar 4.2 Vektor kecepatan material pada sisi advance...
PENGARUH DIAMETER SHOULDER DAN BENTUK PIN TERHADAP
DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIR WELDING
DENGAN MENGGUNAKAN PEMODELAN CFD TIGA DIMENSI
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
OKY PRASETYA
NIM. I0412038
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017
iv
PENGARUH DIAMETER SHOULDER DAN BENTUK PIN TERHADAP
DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIR WELDING
DENGAN MENGGUNAKAN PEMODELAN CFD TIGA DIMENSI
Oky Prasetya
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta,
Indonesia
Abstrak
Salah satu parameter penting dalam FSW adalah geometri tool. Tool berguna
untuk memanaskan dan menggerakan material benda kerja untuk menghasilkan
suatu sambungan. Temperatur maksimum yang dihasilkan dari proses FSW, yaitu
80% dari titik leleh material benda kerja. Pemodelan distribusi temperatur dengan
metode simulasi berguna untuk mempermudah penelitian dan menekan biaya
penelitian FSW. Pemodelan tiga dimensi FSW dengan metode Computational
Fluid Dynamic (CFD) menggunakan software ANSYS FLUENT dilakukan untuk
mengetahui pengaruh tool terhadap distribusi temperatur pada FSW AA6061-T6.
Variasi geometri tool dalam pemodelan distribusi temperatur FSW ini adalah
diameter shoulder dan bentuk pin . Temperatur tertinggi pada sisi advance (AD)
untuk semua variasi geometri tool. Nilai distribusi temperatur tertinggi dihasilkan
oleh diameter shoulder 21 mm dan pin segilima. Nilai distribusi temperatur
semakin meningkat dengan bertambahnya ukuran diameter shoulder dan jumlah
sisi pada pin.
Kata kunci: FSW; Distribusi Temperatur;Computational Fluid Dynamic; ANSYS
FLUENT; AA6061-T6;Diameter shoulder; Bentuk Pin
v
EFFECT OF SHOULDER DIAMETER AND PIN SHAPE ON TEMPERATURE
DISTRIBUTION IN FRICTION STIR WELDING WITH A THREE-
DIMENTIONAL CFD MODELING
Oky Prasetya
Mechanical Engineering Department, the Faculty of Engineering,
Sebelas Maret University, Surakarta, Indonesia
Abstract
One of the important parameters Friction Stir Welding (FSW) is tool geometry.
Tool is useful to heat and to move the workpiece material to produce joints. The
maximum temperature resulting from the FSW process is 80% of the melting
point of workpiece material. The temperature distribution modeling with the
simulation method was useful to facilitate the research and to minimize the cost
on the FSW research. The three-dimensional FSW model with the Computational
Fluid Dynamic (CFD) assisted with the software of ANSYS FLUENT was done
to investigate the effect of tool on the temperature distribution of FSW AA6061-
T6. The variations of tool geometry in the temperature distribution modeling of
the FSW included the shoulder diameter and the pin shape. The highest
temperature on the advance side (AD) was produced by the 21 mm shoulder
diameter and the pentagonal pin. The value of the temperature distribution was
increasing in line with the increase in the size of shoulder diameter and the
number of sides of the pin.
Keywords: FSW; Temperature Distribution; Computational Fluid Dynamic;
ANSYS FLUENT; AA6061-T6; Shoulder diameter; Pin shape
vi
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang.
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, karena telah
memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun dan
meyelesaikan laporan Skripsi ini dengan baik. Serta shalawat dan salam penulis
berikan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW dan keluarga beserta sahabat
yang telah memperjuangkan dan membebaskan umat manusia dari zaman
kebodohan.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi persyaratan dalam memperoleh gelar
Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Dalam penyelesaian Skripsi ini tidak dapat terselesaikan tanpa bantuan dari
berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada
kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya
kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini,
terutama kepada:
1. Allah SWT yang telah memberikan kuasa, rahmat,berkah dan hidayah-Nya.
2. Ayah, Ibu dan adik penulis yang selalu mencurahkan segala doa, daya dan
kemampuannya untuk penulis sehingga penulis mampu menjadi sperti
sekarang ini.
3. Bapak Dominicus Danardono selaku Dosen Pembimbing I yang selalu
memberikan dukungan yang begitu banyak dan memberikan solusi ketika
penulis mendapatkan kesulitan.
4. Bapak Nurul Muhayat selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan
saran, solusi dan bersedia membantu dalam penyusunan laporan ini.
5. Bapak Bambang Kusharjanta selaku dosen Teknik Mesin yang telah
memberikan arahan dan ilmu tentang Friction Stir Welding.
6. Bapak Budi Kristanto, Bapak Triyono dan Bapak Sukmaji selaku dewan
penguji yang telah memberikan saran dan kritik yang membangun. Terima
kasih banyak atas segala masukan dan kritik yang diberikan kepada penulis.
7. Semua keluarga di Surakarta dan Boyolali yang telah memberikan doa dan
dorongan semangat baik moral maupun materil kepada penulis selama
pengerjaan Skripsi ini.
vii
8. Mas Fadillah Ardi Teknik Mesin 2011 yang telah membantu dan sebagai
rekan seperjuangan dalam pengerjaan Skripsi ini.
9. Seluruh rekan Teknik Mesin khususnya angkatan 2012 yang telah
membantu dalam penyususnan Skripsi ini.
10. Rekan Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin (KMTM) yang telah
memberikan kemampuan soft skill berorganisasi.
11. Rekan Tim Bengawan UNS yang telah memberikan kemampuan hand skill
dan teamwork.
12. Seluruh pihak yang secara langsung maupun tidak langsung yang telah
memberikan bantuan dan dukungannya dalam pembuatan laporan ini yang
tidak bisa penulis sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan laporan ini masih jauh dari
kata sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran serta kritik yang dapat
membangun laporan ini agar menjadi lebih baik.
Akhir kata semoga laporan ini dapat memberikan manfaat dan berguna bagi
kita semua. Amin.
Surakarta, 30 November 2016
Penulis
viii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL............................................................................................ i
SURAT PENUGASAN........................................................................................ ii
HALAMAN PENGESAHAN.............................................................................. iii
ABSTRAK........................................................................................................... iv
ABSTRACT......................................................................................................... v
KATA PENGANTAR.......................................................................................... vi
DAFTAR ISI........................................................................................................ viii
DAFTAR GAMBAR........................................................................................... x
DAFTAR TABEL................................................................................................ xii
DAFTAR LAMPIRAN........................................................................................ xiii
DAFTAR NOTASI.............................................................................................. xiv
BAB I PENDAHULUAN..................................................................................... 1
1.1.Latar Belakang Masalah.......................................................................... 1
1.2.Perumusan Masalah................................................................................. 2
1.3.Batasan Masalah...................................................................................... 2
1.4.Tujuan Penelitian.................................................................................... 2
1.5.Manfaat Penelitian................................................................................... 2
1.6.Sistematika Penulisan.............................................................................. 3
BAB II LANDASAN TEORI............................................................................... 4
2.1.Tinjauan Pustaka...................................................................................... 4
2.2.Dasar Teori.............................................................................................. 9
2.2.1.Friction Stir Welding..................................................................... 9
2.2.2. Computational Fluid Dynamic (CFD).......................................... 13
ix
BAB III METODOLOGI PENELITIAN............................................................. 16
3.1.Lokasi Penelitian..................................................................................... 16
3.2.Alat Penelitian......................................................................................... 16
3.3.Metodologi Penelitian............................................................................. 16
3.3.1.Parameter Penelitian...................................................................... 16
3.3.2.Geometri Workpiece..................................................................... 16
3.3.3.Geometri Tool.............................................................................. 17
3.3.4.Meshing........................................................................................ 19
3.3.5.Kondisi Batas Pemodelan FSW................................................... 19
3.3.6.Metode Pengambilan Data Pemodelan FSW................................ 21
3.4.Validasi Pemodelan................................................................................. 22
3.5.Diagram Alir Penelitian........................................................................... 25
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN.............................................................. 26
4.1.Distribusi Temperatur FSW Variasi Diameter Shoulder........................ 26
4.2.Distribusi Temperatur FSW Variasi Bentuk Pin..................................... 33
BAB V PENUTUP............................................................................................... 40
5.1.Kesimpulan.............................................................................................. 40
5.2.Saran........................................................................................................ 40
DAFTAR PUSTAKA........................................................................................... 41
LAMPIRAN......................................................................................................... 44
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Struktur mikro AA6061 dengan kombinasi parameter bentuk pin kotak
dan diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm ........... 4
Gambar 2.2 Grafik hubungan diameter shoulder dan bentuk pin dengan yield
strenght .............................................................................................. 4
Gambar 2.3 Pengaruh diameter shoulder terhadap temperatur ................................ 5
Gambar 2.4 Perbandingan hasil eksperimen dan komputasi peak temperature
selama FSW AA 7075 – T6 ................................................................ 5
Gambar 2.5 Perbandingan distribusi temperatur antara simulasi dengan
pengukuran termokopel ..................................................................... 6
Gambar 2.6 Domain pemodelan ............................................................................. 6
Gambar 2.7 Perbandingan distribusi temperatur antara data numerik dengan data
eksperimental ..................................................................................... 7
Gambar 2.8 Perbandingan temperatur puncak pada sisi advance dan sisi retreat . 8
Gambar 2.9 Grafik hubungan jumlah sisi pin dengan temperatur puncak FSW .... 8
Gambar 2.10 Vektor aliran material pada FSW ....................................................... 9
Gambar 2.11 Skema proses FSW ........................................................................... 9
Gambar 2.12 Tahapan Proses FSW ...................................................................... 10
Gambar 2.13 Skema perpindahan panas ............................................................... 12
Gambar 2.14 Hubungan ukuran butir dengan sifat mekanik ................................ 14
Gambar 2.15 Bentuk-bentuk meshing .................................................................. 14
Gambar 3.1 Geometri workpiece AA6061-T6 ...................................................... 17
Gambar 3.2 Geomteri variasi diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan
(c) 21 mm ........................................................................................... 18
Gambar 3.3 Geomteri variasi bentuk pin (a) segitiga, (b) segiempat dan
(c) segilima .......................................................................................... 18
Gambar 3.4 Meshing pada pemodelan FSW .......................................................... 19
Gambar 3.5 Domain pemodelan FSW untuk variasi diameter shoulder .............. 19
Gambar 3.6 Domain pemodelan FSW untuk variasi bentuk pin .......................... 20
Gambar 3.7 Skema pengambilan data distribusi temperatur ................................ 21
Gambar 3.8 Geometri plat (a) AA6061-T6 dan (b) Geometri tool ....................... 22
xi
Gambar 3.9 Kondisi batas validasi pemodelan dengan ANSYS .......................... 23
Gambar 3.10 Grafik perbandingan temperatur anatara hasil penelitian Siddiqui
dengan software ANSYS ................................................................. 24
Gambar 3.11 Diagram alir penelitian .................................................................... 25
Gambar 4.1 Distribusi temperatur pada sisi advance (AD) dan retreat (RT) variasi
diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm ............... 27
Gambar 4.2 Vektor kecepatan material pada sisi advance (AD) dan retreat (RT)
variasi diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm ... 27
Gambar 4.3 Perbandingan kontur temperatur pada sisi advance (AD) dan retreat
(RT) variasi diameter shoulder ........................................................ 28
Gambar 4.4 Distribusi temperatur di depan dan belakang pin pada variasi diameter
shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21 mm .............................. 30
Gambar 4.5 Kontur temperatur di depan dan belakang pin variasi diameter shoulder
......................................................................................................... 30
Gambar 4.6 Hubungan diameter shoulder dengan temperatur puncak saat tool posisi
(a) Z1, (b) Z2 dan (c) Z3 searah sumbu z (+) .................................. 32
Gambar 4.7 Kontak area pada diameter shoulder (a) 15 mm, (b) 18 mm dan (c) 21
mm ................................................................................................... 32
Gambar 4.8 Distribusi temperatur pada sisi advance (AD) dan retreat (RT) variasi
bentuk pin (a) segitiga, (b) segiempat dan (c) segilima ................... 34
Gambar 4.9 Aliran material disekitar pin (a) segitiga, (b) segiempat dan (c) segilima
......................................................................................................... 34
Gambar 4.10 Efek bentuk pin (a) segitiga, (b) segiempat dan (c) segilima oada
struktur mikro AA2219 Al-Cu ......................................................... 35
Gambar 4.11 Hubungan bentuk pin dengan temperatur puncak saat tool posii (a)
Z1, (b) Z2 dan (c) Z3 searah sumbu z (+) ........................................ 36
Gambar 4.12 Perbandingan kontur temperatur pada sisi advance (AD) dan retreat
(RT) variasi bentuk pin .................................................................... 37
Gambar 4.13 Distribusi temperatur di depan dan belakang pada variasi bentuk pin
(a) segitiga, (b) segiempat dan (c) segilima ..................................... 38
Gambar 4.14 Kontur temperatur di depan dan belakang pin variasi bentuk pin... 39
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Parameter pemodelan FSW .................................................................... 16
Tabel 3.2 Material properties AA6061-T6 ............................................................ 17
Tabel 3.3 Material properties HCS AISI1069 ....................................................... 17
Tabel 3.4 Perbandingan nilai temperatur antara peneltian Siddiqui dengan
ANSYS .................................................................................................. 23
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Tabel distribusi temperatur variasi diameter shoulder 15 mm ......... 45
Lampiran 2. Tabel distribusi temperatur variasi diameter shoulder 18 mm ......... 45
Lampiran 3. Tabel distribusi temperatur variasi diameter shoulder 21 mm ......... 45
Lampiran 4. Tabel distribusi temperatur variasi bentuk pin segitiga .................... 46
Lampiran 5. Tabel distribusi temperatur variasi bentuk pin segiempat ................ 46
Lampiran 6. Tabel distribusi temperatur variasi bentuk pin segilima ................... 46
Lampiran 7. Tabel distribusi temperatur variasi diameter shoulder sepanjang
sumbu Z ............................................................................................ 47
Lampiran 8. Tabel distribusi temperatur variasi bentuk pin sepanjang sumbu Z . 47
xiv
DAFTAR NOTASI
Cp = Kapasitas panas (J/kg K)
k = Konduktivitas termal (W/m K)
h = Koefisien konveksi (W/m2K)
m = Massa ( kg)
q = perpindahan panas konveksi (W/m2)
Q = Energi panas (J)
T = Temperatur (K)
Ta = Temperatur sekitar (K)
u,v,w = Vektor kecepatan arah x, y, z (m/s)
μ = Viskositas ( Pa s)