TUGAS AKHIR – TL 141584 ANALISIS ELEMEN HINGGA PADA …

TUGAS AKHIR – TL 141584

ANALISIS ELEMEN HINGGA PADA PROSES BENDINGPIPA BERPENAMPANG SEGI EMPAT DENGAN LASER

Ida Bagus Putra AnandyaNRP 2712 100 138

Dosen PembimbingMas Irfan P. Hidayat, S.T., M.Sc., Ph.DIr. Rochman Rochiem, M.Sc

JURUSAN TEKNIK MATERIAL DAN METALURGIFakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya2016

(Halaman sengaja dikosongkan)

FINAL PROJECT – TL 141584

FINITE ELEMENT ANALYSIS ON LASER BENDINGPROCESS OF SQUARE AND RECTANGLE TUBE

Ida Bagus Putra AnandyaStudent ID 2712 100 138

AdvisorMas Irfan P. Hidayat, S.T., M.Sc., Ph.DIr. Rochman Rochiem, M.Sc.

DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALLURGICALSENGINEERINGFaculty of Industrial TechnologySepuluh Nopember Institute of TechnologySurabaya2016

(Halaman sengaja dikosongkan)

vii

ANALISIS ELEMEN HINGGA PADA PROSES BENDING

PIPA BERPENAMPANG PERSEGI DAN PERSEGI

PANJANG DENGAN LASER

Nama : Ida Bagus Putra Anandya

NRP : 2712100138

Jurusan : Teknik Material & Metalurgi

Dosen Pembimbing : Mas Irfan P.H., S.T., M.Sc., Ph.D.

Ir. Rochman Rochiem, M.Sc.

Abstrak

Dari segi kekuatan, ketahanan terhadap korosi dan ketahanan

terhadap buckling, baja tahan karat AISI 304 menjadi salah satu

pipa dengan luas penampang segi empat yang banyak digunakan

Namun, proses bending konvensional dengan mekanik memiliki

banyak keterbatasan pada bending radius dan diameter pipa

yang akan ditekuk. Sehingga, diperlukan penelitian lebih lanjut

untuk mencapai hasil proses laser bending yang optimal. Analisa

yang digunakan adalah termal dan mekanik. Parameter -

parameter yang digunakan adalah bentuk penampang persegi

dan persegi panjang persegi, laser power , scanning speed,

scanning path dengan masing-masing dua variasi. Variasi

tersebut dianalisa untuk mendapatkan hasil proses laser bending

yang paling optimal. Dari simulasi yang dilakukan menghasilkan

tegangan, distorsi dan bend angle terbesar adalah skema

circumferential dengan power 1500W scanning speed 10 mm/s

dengan nilai tegangan maksimum 414 MPa.

Kata Kunci: Laser forming, Pipa segi empat, daya laser,

scanning speed, scanning path, Analisa elemen hingga

viii

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

ix

FINITE ELEMENT ANALYSIS ON LASER BENDINGPROCESS OF SQUARE AND RECTANGLE PIPE

Name : Ida Bagus Putra AnandyaSRN : 2712100138Major : Material and Metallurgical Engineering DeptAdvisor : Mas Irfan P.H., S.T., M.Sc., Ph.D.Lectures Ir. Rochman Rochiem, M.Sc.

AbstractBased on its advantageous properties or characteristic, stainlesssteel AISI 304L is widely used as square pipe materials. Tubebending is an important manufacturing of pipe products. There isa new developed method of bending process, named laserforming.This manufacturing technique use laser beam as a heatsource. However, conducting an experiment with this method istime consuming and expensive. Having said that, this experimenthas been done by finite element method. There were somevariations used in this simulation, first is the geometry of the tube,the first one was square and the other one was rectangle. Theother variations are laser power, scanning speed, and scanningpath (axial and circumferential). Based on the simulation, thehighest bend value was 1.129 mm with 414 Mpa maximum stresswas obtained from 1500 W laser power and 10 mm/s scanningspeed with circumferential scanning path in rectangle pipe.

Keywords: Finite Element Analysis, laser forming, laserbending, laser power, scanning path, scanning speed, rectanglePipe

x


xi

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan YangMaha Esa yang telah memberikan rahmat, serta pencerahan-Nya,sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir berjudul"Analisis Elemen Hingga Pada Proses Bending PipaBerpenampang Segi Empat dengan Laser" yang menjadi salahsatu syarat kelulusan mahasiswa di Jurusan Teknik Material danMetalurgi Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi SepuluhNopember Surabaya.

Penulis menyadari bahwa tanpa bantuan dan dukungandari berbagai pihak, laporan kerja praktik ini tidak dapatdiselesaikan dengan baik. Oleh karena itu, penulis inginmengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telahmemberi dukungan, dan bimbingan kepada penulis hingga TugasAkhir ini dapat diselesaikan. Penulis mengucapkan terima kasihkepada berbagai pihak yang berperan serta pada terbentuknyalaporan ini, yaitu:

1. Kedua orang tua penulis Mama dan Ayah yang senantiasamemberikan dukungan dalam segala hal terutamakesadaran akan pentingnya ilmu pengetahuan.

2. Mas Irfan P. Hidayat, S.T., M.Sc., Ph.D sebagai dosenpembimbing Tugas Akhir, yang senantiasa memberikanbimbingan, nasihat, dan motivasi untuk masa depanpenulis.

3. Bapak Ir. Rochman Rochiem, M.Sc. selaku dosenPembimbing kedua yang telah memberikan banyak sarandan masukan.

4. Bapak Dr. Agung Purniawan, S.T, M.Eng. selaku DosenKetua Jurusan Teknik Material dan Metalurgi FakultasTeknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya.

5. Ibu Diah Susanti, S.T., M.T., Ph.D. selaku dosenpembimbing akademik dan segenap Dosen dan Karyawan

xii

Teknik Material dan Metalurgi ITS yang membantupenulis untuk menyelesaikan proses perkuliahan di ITS.

6. Serta kepada seluruh keluarga seperjuangan baik dariTeknik Material dan Metalurgi FTI-ITS maupun darialmamater Sekolah Santa Laurensia yang telahmemberikan semangat, serta nasihat dan pesan yang tidakpernah bisa terlupakan

Semoga tulisan ini dapat menjadi pelita ilmu pengetahuandan pikiran yang baik datang dari segala penjuru.

Surabaya, Januari 2016

Penulis

xiii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL.....................................................................iLEMBAR PENGESAHAN.........................................................vABSTRAK..................................................................................viiKATA PENGANTAR ................................................................xiDAFTAR ISI .............................................................................xiiiDAFTAR GAMBAR .................................................................xvDAFTAR TABEL.....................................................................xxiBAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang ....................................................................11.2. Perumusan Masalah.............................................................31.3. Batasan Penelitian ...............................................................31.4. Tujuan Penelitian ................................................................31.5. Manfaat Penelitian...............................................................3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA2.1. Penelitiaan Sebelumnya Mengenai Laser Bending .............52.2. Metode Analitis Mekanisme Laser Forming. ...................16

2.2.1 Mekanisme Gradien Temperatur..............................162.2.2 Mekanisme Buckling................................................182.2.3 Mekanisme Upsetting...............................................20

2.3. Proses Pembentukan dengan Laser ...................................212.3.1 Penjelasan Proses .....................................................212.3.2 Prinsip Deformasi Thermal ......................................23

2.4 Faktor yang Mempengaruhi dalam Laser Bending ............262.4.1 Parameter Energi ......................................................272.4.2 Penyerapan Permukaan pada Material .....................272.4.3 Daya Laser ...............................................................282.4.4 Kecepatan Pergerakan ..............................................282.4.5 Diameter Sinar Laser................................................292.4.6 Pengaruh Pendinginan..............................................292.4.7 Sifat Material............................................................302.4.8 Geometri Benda Kerja..............................................31

2.5 Metode Elemen Hingga......................................................32

xiv

2.5.1 Pengertian Umum.....................................................322.5.2 Perpindahan Panas dalam FEM................................33

BAB III METODOLOGI PENELITIAN3.1 Diagram Alir Penelitian .....................................................373.2 Spesifikasi Material dan Parameter Laser Bending ...........38

3.2.1 Material Pipa ............................................................383.2.2 Geometri Pipa...........................................................383.2.3 Parameter Laser Bending .........................................40

3.3 Peralatan.............................................................................403.4 Proses Penelitian ................................................................41

3.4.1. Pemodelan pipa .......................................................423.4.2. Pemodelan material properties ...............................433.4.3. Pemodelan boundary condition...............................443.4.4. Pemodelan tipe pembebanan...................................443.4.5. Tipe analisa .............................................................45

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN4.1 Pipa Pesergi........................................................................49

4.1.1 Respon Termal .........................................................494.1.2 Respon Tegangan .....................................................61

4.2 Pipa Pesergi Panjang..........................................................744.2.1 Respon Termal .........................................................744.2.2 Respon Tegangan .....................................................87

4.3 Analisa Sensitivitas ..........................................................101BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ......................................................................1055.2 Saran.................................................................................106

DAFTAR PUSTAKA ..............................................................107BIODATA PENULIS ..............................................................111

xv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Profil penampang meilintang dari diameter luar dandalam pipa untuk hasil ketiga jalur diameter pipa (Shafdar,2010)..............................................................................................6Gambar 2.2 Hasil eksperimental laser bending jalur aksial(Shafdar, 2010)).............................................................................6Gambar 2.3 Tampak penampang melintang distorsi dari empatskema yang berbeda (a) daya 780W, kecepatan 1,57 rad/s,diameter sinar laser 11 mm; (b) daya 425 W, interval 1 detik,lebar sinar laser 4 mm; (c) daya 1550W, kecepatan 20 mm/s,lebar sinar laser 4 mm; (d) sama seperti c namun denganpendinginan air.(Zhang, 2006) ......................................................8Gambar 2.4 Kontur temperatur plat logam pada saat t=0,4 detikpemanasan (Yilbas,2014) ............................................................10Gambar 2.5 Hasil sudut tekuk yang dihasilkan untuk setiapinitial displacement dari daya laser dan pulsa laser (Jamil,2015)11Gambar 2.6 Perbandingan hasil eksperimen dengan analisisnumerik pada hubungan antara kecepatan pergerakan laserdengan sudut tekuk yang dihasilkan (Shi, 2007.). .......................13Gambar 2.7 Hubungan linear antara pengaruh daya laserterhadap sudut tekuk, serta adanya daya laser minimum untukmembengkokan pipa (Hao, 2003.). .............................................13Gambar 2.8 Hasil perpindahan radial pada analisa numerik daneksperimental di permukaan pipa baja tahan karat(Hsieh,2005.). ..............................................................................14Gambar 2.9. Gambar 2.9 Strutur mikro laser welding pada (A)daerah las - lasan, (B) HAZ dan struktur mikro las MetalActive GAS pada (C) daerah las - lasan dan (D) HAZ(Nemecek,2012) ..........................................................................15Gambar 2.10. Sebuah model geometri sederhana unuk analisismenggunakan pendekatan energi: (a) saat pemanasan; dan (b)saat pendinginan. .........................................................................18Gambar 2.11 Tahap - tahap pembentukan dengan laser melaluimekanisme buckling: (a) Munculnya tegangan kompresif akibat

xvi

sinar laser; (b) Terjadinya buckling oleh tegangan termal; (c)pertumbuhan deformasi elastis dan plastis, dan (d) pertumbuhansudut tekuk. (Jung,2006...............................................................20Gambar 2.12 Pembentukan dengan laser melalui mekanismeupsetting ......................................................................................21Gambar 2.13 Skema laser bending pipa dengan penjepit di salahsatu ujungnya(Hao, 2003) ...........................................................22Gambar 2.14 Mekanisme gradien temperatur yang terjadi padaproses pembentukan dengan laser; (a) grandien temperatur; (b)saat pemanasan; (c) ketika pendinginan. (Jung, 2006) ................24Gambar 2.15 Hubungan tegangan-regangan dari materialterhadap temperatur.(Jung, 2006)................................................25Gambar 2.16 Diagram alir proses pembentukan denganlaser.(Jung,2006) .........................................................................26Gambar 2.17 Proses Pengerjaan pada Metode Elemen Hingga(Sonief, 2005.).............................................................................33Gambar 2.18 Perpindahan panas yang terjadi pada proses laserforming ........................................................................................34Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian .........................................37Gambar 3.2 Penampang melintang pipa persegi........................39Gambar 3.3 Penampang melintang pipa persegi panjang ..........39Gambar 3.4 Model 3 dimensi pipa persegi dan persegi panjang40Gambar 3.5 Diagram alir pemodelan menggunakan metodeelemen hingga..............................................................................41Gambar 3.6 Hasil meshingpada pipa berpenampang lingkaran .42Gambar 3.7 Hasil meshing pada pipa berpenampang elips........43Gambar 3.8 Material properties yang di-input...........................44Gambar 4.1 Distribusi temperatur pada: (a) detik 1; (b) detik 2;(c) detik 12; (d) detik 37; (e) detik 38; dan (f) 138. Perlakuan 1(Axial Scanning)..........................................................................51Gambar 4.2 Distribusi temperatur pada: (a) detik 1; (b) detik 2;(c) detik 12; (d) detik 37; (e) detik 38; dan (f) 138. Perlakuan 5(Circumferential Scanning) .........................................................53Gambar 4.3 Grafik Temperatur vs waktu untuk axial scanningpipa persegi..................................................................................54

xvii

Gambar 4.4 Grafik Temperatur vs waktu untuk circumferentialscanning pipa persegi ..................................................................55Gambar 4.5 Grafik Gradien Termal sumbu X Vs Waktu(Persegi-Axial) untuk perlakuan 1 hingga perlakuan 4 ...............56Gambar 4.6 Grafik Gradien Termal sumbu X Vs Waktu(PersegiCircumferential) perlakuan 5 hingga perlakuan 8.. ........57Gambar 4.7 Grafik gradien temperatur sumbu y terhadap waktu(Persegi circumferential dan Axial).............................................59Gambar 4.8 Gradien temperatur arah sumbu z terhadap waktu(Pipa Persegi Panjang circumferential dan Axial).......................60Gambar 4.9 Grafik Tegangan pada arah pemanasan terhadapwaktu dengan skema axial dan circumferential...........................61Gambar 4.10 Distribusi tegangan pada pipa (σ¬z) pada skemaaksial pada detik ke: (a) 0.125; (b) 1; (c) 138. Deformasidiperbesar 100x untuk memperjelas ............................................63Gambar 4.11 Distribusi tegangan pada pipa (σz) pada skemacircumferential pada detik ke: (a) 0.125; (b) 1; (c) 138. Deformasidiperbesar 100x untuk memperjelas ............................................66Gambar 4.12 Displacement pada arah-y (bending) pada bagianatas pada skema axial ..................................................................68Gambar 4.13 Displacement pada arah-y (bending) pada bagianatas pada skema circumferential..................................................70Gambar 4.14 Historis displacement-y pada ujung pipa persegidengan jalur pemanasan aksial ....................................................70Gambar 4.15 Historis displacement-y pada ujung pipa persegidengan jalur pemanasan aksial ....................................................71Gambar 4.16 Profil penampang dari pipa pada axial scanningpada z = 50 mm ...........................................................................72Gambar 4.17 Profil penampang dari pipa pada circumferentialscanning pada z = 50 m ...............................................................72Gambar 4.18 Distribusi temperatur pada: (a) detik 1; (b) detik 2;(c) detik 12; (d) detik 37; (e) detik 38; dan (f) 138. Perlakuan 1(Axial Scanning)..........................................................................77

xviii

Gambar 4.19 Distribusi temperatur pada: (a) detik 1; (b) detik 2;(c) detik 12; (d) detik 37; (e) detik 38; dan (f) 138. Perlakuan 5(Circumferential Scanning) .........................................................80Gambar 4.20 Temperatur vs waktu untuk axial scanning pipaPersegi Panjang ...........................................................................81Gambar 4.21 Temperatur vs waktu untuk circumferentialscanning pipa Persegi Panjang ....................................................82Gambar 4.22 Thermal Gradient arah-x Vs Waktu (Axial) untukperlakuan 9 hingga perlakuan 12.................................................83Gambar 4.23 Thermal Gradient arah sumbu x Vs Waktu(Circumferential) untuk perlakuan 13 hingga perlakuan 16........84Gambar 4.24 Gradien temperatur arah sumbu y terhadap waktu(Pipa Persegi Panjang circumferential dan Axial) untuk perlakuan9 hingga perlakuan 16................................................................85Gambar 4.25 Gradien temperatur arah sumbu y terhadap waktu(Pipa Persegi Panjang circumferential dan Axial) untuk perlakuan9 hingga perlakuan 16 .................................................................86Gambar 4.26 Grafik Tegangan pada arah pemanasan terhadapwaktu dengan skema axial dan circumferential...........................87Gambar 4.27 Distribusi tegangan pada pipa persegi panjang(σ¬z) pada skema aksial pada detik ke: (a) 0.125; (b) 1; (c) 138.Deformasi diperbesar 100x untuk memperjelas ..........................91Gambar 4.28 Distribusi tegangan pada pipa persegi panjang(σ¬z) pada skema circumferential pada detik ke: (a) 0.125; (b) 1;(c) 138. Deformasi diperbesar 100x untuk memperjelas.............94Gambar 4.29 Displacement UY pada arah-y (bending) padabagian atas pada skema axial.......................................................95Gambar 4.30 Displacement pada arah-y (bending) pada bagianatas pada skema circumferential..................................................96Gambar 4.31 Historis displacement-y pada ujung pipa persegipanjang dengan jalur pemanasan aksial.......................................98Gambar 4.32 Historis displacement-y pada ujung pipa persegipanjang dengan jalur pemanasan circumferential .......................98

xix

Gambar 4.33 Profil penampang dari pipa persegi panjang padaaxial scanning pada z = 50 mm ...................................................99Gambar 4.34 Profil penampang dari pipa pada circumferentialscanning pada z = 50 mm ..........................................................100Gambar 4.35 Distribusi temperatur pada: detik 1 untuk meshing:(a) normal; (b) halus; (c) sangat halus; dan detik 138 untukmeshing: (d) normal; (e) halus; dan (f) sangat halus .................103Gambar 4.36 Distribusi tegangan arah sumbu-z pada detik 1pada meshing: (a) normal; (b) halus; (c) sangat halus; dan detik ke138 untuk meshing: (d) normal; (e) halus; dan (d) sangathalus..........................................................................................104

xx


xxi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Perbandingan hasil proses laser bending 4 macamskema pemberian sinar laser (Zhang,2006)...................................8Tabel 2.2 Pengaruh pendinginan terhadap sudut yangdihasilkan.....................................................................................30Tabel 3.1 Standar Komposisi Kimia AISI 304L (NAS-UNSS30430, EN 1.4307). ...................................................................38Tabel 3.2 Properti Material dari AISI 304L................................38Tabel 3.3 Parameter Laser Bending............................................40Tabel 4.1 Kondisi Perlakuan Laser Bending ..............................47Tabel 4.2 Skema waktu scanning ...............................................48Tabel 4.3 Jumlah elemen yang digunakan................................102

xxii


Laporan Tugas AkhirJurusan Teknik Material dan Metalurgi

1

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangSebagai salah satu komponen untuk mengalirkan bahan

atau menahan beban, pipa merupakan bagian yang tak terpisahkandalam berbagai macam industri seperti dirgantara, perkapalan,otomotif, energi, sipil dan medis. Bentuk pipa denganberpenampang segi empat banyak digunakan dalam bidangakstektur khususnya untuk menambah nilai estetika bangunanpada bagian luar. Dari segi kekuatan, ketahanan terhadap korosidan ketahanan terhadap buckling, baja tahan karat AISI 304menjadikan salah satu pipa dengan luas penampang segi empatyang banyak digunakan bukan hanya untuk struktural namun jugaaksitektural.

Sejauh ini, teknik bending pipa secara mekanis telahmenjadi cara yang paling umum digunakan. Cara konvensionalini menggunakan gaya eksternal. Bending pipa secara mekanismemiliki keterbatasan dalam radius tertentu yang bisa ditekuk.Hal ini diakibatkan oleh penipisan pada bagian extrados. Extradosadalah lengkungan bagian luar pipa yang dibengkokkansementara intrados adalah lengkungan bagian dalam pipa. Padabagian intrados, tegangan kompresif dapat mendorong terjadinyabuckling dan lipatan dari material pipa itu sendiri. Cacat dalamproses bending ini dapat dikurangi dengan menggunakanmandrel. Namun, penggunaan mandrel dan bending dengantekanan dalam jangka panjang dapat berdampak negatif pada alatbending yang dipakai. Selain itu, bending pipa secara mekanismemerlukan alat yang lebih kompleks untuk bending denganberbagai sumbu (Shafdar,2007).

Dalam beberapa kurun waktu terakhir pembentukandengan laser mulai muncul penggunaannya dalam prosesmanufaktur. Pembentukan dengan laser ini memiliki keunggulandimana material tersebut tidak mudah kembali ke posisi awal dantidak memerlukan perangkat atau perkakas dan juga gaya

2


eksternal. Pembengkokkan terjadi akibat deformasi plastis yangdiinduksi oleh tegangan termal. Teganga termal ini dihasilkanoleh siklus termal non - linear secara cepat. Berdasarkanpenelitian sebelumnya, proses laser bending ini memilikikelebihan yaitu pengurangan tebal dinding pipa lebih sedikit dariproses bending konvensional dan distorsi pipa yang terbentuklebih sedikit terjadi. Kemudian, proses laser bending pipa jugadapat diotomasikan melalui sistem kontrol numerik (Yang, 2012.)

Proses laser bending memiliki banyak sekali pengaruhuntuk mencapai hasil yang optimal. Menurut Jung, ada beberapafaktor dalam proses yang mempengaruhi hasil laser bendingseperti daya laser, kecepatan pergerakan sinar laser, diametersinar laser, jalur penembakan laser, sifat material yang digunakandan bentuk geometri benda kerja itu sendiri. Maka dari itu,diperlukan penelitian lebih lanjut untuk menganalisa pengaruhparameter - parameter yang sudah disebutkan untuk mencapaihasil proses laser bending yang optimal. Eksperimen secara rilakan menggunakan biaya ekstra serta peralatan - peralatan yangkompleks. Di lain pihak, simulasi numerik dengan elemen hinggamerupakan salah satu metode yang efektif dan juga efisien. Makadari itu, akan dilakukan proses analisa numerik proses bendingpipa berpenampang segi empat dengan laser. Pada masa sekarangini kemajuan teknologi bahan semakin berkembang pesat.Kebutuhan akan karakteristik bahan yang spesifik untuk aplikasi -aplikasi tertentu menjadi pendorong percobaan mengenai prosesproduksi bahan. Pengecoran logam merupakan salah satu carametode dari berbagai macam proses manufkatur sepertimachining dan lain - lain. Kemampuannya yang mudah dibentuksesuai kebutuhan, baik dalam segi kekuatan maupun keunggulansifat-sifat yang lain, mendorong metode pengecoran logamsebagai cara populer yang dilakukan oleh industri khususnyaindustri manufaktur.

3


1.2. Perumusan MasalahBerdasarkan penjabaran latar belakang diatas dapat

ditarik beberapa masalah dalam penelitian ini yaitu:1.Bagaimana pengaruh geometri penampang pipa (persegi

dan persegi panjang) terhadap proses bending pipa?2.Bagaimana pengaruh laser power terhadap proses

bending pipa?3.Bagaimana pengaruh scanning speed tehadap proses

bending pipa?4.Bagaimana pengaruh scanning path terhadap proses

bending pipa?

1.3. Batasan PenelitianUntuk mendapatkan hasil perhitungan yang sesuai dengan

referensi yang ada serta agar tidak menyimpang daripermasalahan yang akan ditinjau, maka terdapat bebrapa batasanmasalah yang perlu diperhitungkan yaitu:

1. Material isotropik dan homogen.2. Tidak terjadi proses melting selama laser forming.3. Perpindahan panas dari benda kerja ke clamp sangat

kecil sehingga diabaikan.4. Fenomena panas akibat perubahan fasa diabaikan5. Panas yang timbul akibat strainenergyakibat deformasi

plastisdiabaikan karena sangat kecil dibandingkan denganinput panas dari sinar laser

6. Efek Bauschinger diabaikan

1.4. Tujuan PenelitianTujuan yang diangkat dalam penelitian ini adalah:

1.Menganalisa pengaruh geometri penampang pipa (persegidan persegi panjang) terhadap proses bending pipa.

2.Menganalisa pengaruh laser power terhadap prosesbending pipa.

3.Menganalisa pengaruh scanning speed tehadap prosesbending pipa.

4


4.Menganalisa pengaruh scanning path terhadap prosesbending pipa.

1.5. Manfaat PenelitianManfaat dari penelitian ini adalah diperolehnya data

mengenai luas penampang, arah pass laser, intensitas laser dankecepeatan pergerakan laser yang paling optimal untuk proseslaser bending pipa segi empat. Dengan adanya data yangdiperoleh, diharapkan bisa menjadi acuan untuk pengembanganpenelitian dalam proses manufaktur yang inovatif di masa datang.


5

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian sebelumnya mengenai laser bendingDalam beberapa tahun terakhir terdapat sejumlah penelitian

- penelitian tengang laser bending.(Safdar, 2010) telah melakukan penelitian tentang pengaruh

efek jalur pergerakan laser terhadap sudut tekuk, distorsi dandistribusi tegangan. Penelitian ini menggunakan simluasi metodeelemen hingga dengan perangkat lunak ANSYS serta eksperimen.Dalam penelitian tersebut Safdar menggunakan laser dioda (LDL160-1500) dengan daya 1,5kW dengan jangkauan operasi 800 -980 nm. Laser tersebut dipakai untuk membengkokan pipa100mm dengan diameter 14 mm dan tebal 1 mm. Pipa tersebutberbahan dasar baja tahan karat AISI 304 L. Meja CNCdigunakan untuk menggerakan benda kerja selama penembakanlaser dengan kecepatan 10mm/s. Safdar menggunakan tigamacam jalur sinar laser yaitu; alternate circumferential, axial dansequential circumferential. Ukuran diameter geometri laser2.56mm untuk ketiga jalur yang diuji. Setiap jalur dilakukan 4kali penembakan laser dan interval waktu antar penembakan 10detik. Rapatan daya yang dipakai dalam pengujian 2,0 kW/cm2.Pada penembakan kedua, ketiga dan keempat, rapatan dayadikurangi 0,2kW/cm2, sehingga rapatan daya kedua, ketiga dankeempat secara berturut - turut adalah 1,8, 1,6 dan 1,4 kWcm2.Untuk jalur circumferential, jalur mengitari pipa 180ᶱ, dimanakecepatan angulernya adalah 1.428 rad/s. Berdasarkan hasil yangdidapat, jalur penembakan sinar laser axial menghasilkan suduttekuk dua kali lebih besar dari circumferential. Jalur axial jugamemiliki distorsi paling kecil pada dinding bagian dalam pipa biladibandingkan jalur circumferential.

6


Gambar 2.1 Profil penampang meilintang dari diameter luar dandalam pipa untuk hasil ketiga jalur diameter pipa (Shafdar, 2010)

Gambar 2.2 Hasil eksperimental laser bending jalur aksial(Shafdar, 2010)

7


Sedangkan (Zhang,2006) melakukan juga melakukanpenelitian simulasi pengaruh skema pemberian sinar laserterhadap proses bending pipa. Material pipa yang dikaji padapenelitian ini adalah baja karbon rendah AISI 1010. Dimensiukuran pipa adalah diameter luar 12,7mm dengan tebal 0.89 mmdan panjang 100mm untuk skema I dan 50mm untuk skema II danIII. Pada studi ini Zhang memberikan lapisan grafit padapermukaan pipa dengan maksud menambah efisiensi penyerapanenergi panas pada pipa. Terdapat empat skema pemberian sinarlaser yang diamati yaitu pertama dengan jalur circumferential,bentuk laser lingkaran dengan pemberian secara kontinu, keduadengan secara ritmik, bentuk laser segi empat dengan arah aksial,ketiga dengan secara kontinu, bentuk laser segi empat denganarah aksial dan keempat sama dengan skema ketiga namundengan ditambahnya pendinginan dengan air. Secara berturut -turut daya yang diberikan untuk setiap skema dari pertama hinggakeempat adalah 780 W, 200-800W, 200-600 W dan 425 serta1550 W.

(A) (B)

8


(C) (D)Gambar 2.3 Tampak penampang melintang distorsi dari empat

skema yang berbeda (a) daya 780W, kecepatan 1,57 rad/s,diameter sinar laser 11 mm; (b) daya 425 W, interval 1 detik,lebar sinar laser 4 mm; (c) daya 1550W, kecepatan 20 mm/s,

lebar sinar laser 4 mm; (d) sama seperti c namun denganpendinginan air.(Zhang, 2006)

Tabel 2.1 Perbandingan hasil proses laser bending 4 macamskema pemberian sinar laser (Zhang,2006)

Skema

SudutTeku

k(deraj

at)

Radius

Bending(m)

Input

Energi(J)

Energi

Spesifik

(J/der)

Jumlah

Scanning

laser

Waktu (s)

Scanning

Tunggu

antarScanni

ng

I 1,73 3,3 12480

7213,8 8 16 2100

II 2,22 2,58 8500

3828,8

20(pulsa) 20 2261

II 4,16 1,2 6781 1630 1 4,375 0

IV 5,83 0,86 6781 1163 1 4,375 0

9


Dari hasil penelitian tersebut (Zhang,2006) , didapat bahwapemberian laser secara ritmik atau tidak kontinu dapat membuatpipa terdeformasi bergantuk pada bentuk sinar yang tepat. Skemadengan jalur aksial dengan kecepatan yang tepat dapatmemberikan deformasi yang lebih besar. Aplikasi pendinginandengan air dapat membantu meningkatkan sudut tekuk lebihbanyak. Kemudian, ovalitas dari skema jalur aksial lebih besardari pada skema jalur circumferential. Ketebalan dinding pipayang terdeformasi jauh lebih banyak variasinya ditemukan padaskema jalur aksial. Pada perbandingan konsumsi energi danwaktu proses, skema jalur aksial lebih baik ketimbang jalurcircumferential.

Berdasarkan studi yang telah dilakukan (Maji,2013)terdapat plat baja tahan karat AISI 304 yang dilakukan prosespulsed laser bending. Parameter yang dianalisa pada penelitiantersebut adalah daya laser, kecepatan pergerakan, diameter sinarlaser dan durasi pulsa ketika pada saat pemanasan plat baja tahankarat tersebut. Proses permodelan yang dilakukan turut divalidasidengan eksperimen. Ditemukan bahwa seluruh parameter yangdianalisa berpengaruh secara signifikan terhadap sudut tekukyang dihasilkan. Sudut tekuk maksimum dapat terbentuk apabiladiberikan frekuensi pulsa laser tertentu. Dengan melebarnyapulsa, sudut tekuk yang terbentuk meningkat dalam daya laseryang tetap. Dengan jumlah energi yang sama, laser dengan pulsadapat menghasilkan sudut tekuk lebih banyak bila dibandingkandengan laser secara kontinu. Namun, dengan adanya metodepulsed laser ini dapat menimbulkan adanya overlapping.

Pada penelitian laser bending pada lembaran plat logam(Yilbas,2014) daerah kontur temperatur dan tegangan diprediksidengan metode elemen hingga dan juga dibandingkan denganeksperimental. Prediksi dari temperatur permukaan, sudut tekukdan tegangan sisa terbentuk pada permukaan yang terkena laser.Perubahan morfologis dan metalurgi akibat perlakuan dari sinarlaser diamati dengan menggunakan scanning electro microscope,energy dispersed spectroscopy, XRD dan mikroskop optik.

10


Gambar 2.4 Kontur temperatur plat logam pada saat t=0,4 detikpemanasan (Yilbas,2014)

Ditemukan bahwa temperatur tetap tinggi pada daerah yangteradiasi oleh laser. Hal ini menghasilkan gradien temperaturantara scanning path dengan logam sekitarnya. Gradientemperatur ini mengasilkan tegangan tinggi pada daerah tersebut.Defleksi pada sumbu z tinggi akibat adanya tekukan pada bentdakerja. Selisih defleksi antara garis yang diberikan sinar laserdengan yang tidak diberikan perlakuan besar seingga sudutbending yang tinggi. Tidak ditemukannya kecacatan yang besarpada daerah penyinaran laser. Disekitar permukaan yangdiberikan laser ditemukan diskontinuitas berupa lubang - lubangkecil. Hal ini disebabkan oleh erosi termal akibat evaporasi padapermukaan dan oksidasi eksotermis ketika proses berlangsung.

Sebuah deformasi pada plat logam baja tahan karat 304diteliti setelah dilakukannya proses pulsed laser forming(Lee,2002.) Plat stainless steel 304 dipanaskan dengan sinar laserkarbon dioksida pulsa tunggal melalui permodelan analitis.Eksperimen juga turut dilakukan untuk memvalidasi parameter -parameter yang dianalisa yaitu distribusi kontur temperatur, poladeformasi, kondisi tegangan - regangan dan tegangan sisa.

Dihasilkan adanya hubungan yang selaras antaraeksperimen dan permodelan analitis. Studi analisa elemen hinggamenembukan adanya gradien temperatur tinggi untuk sudut tekukpositif dan perbedaan temperatur yang sedikit pada sudut tekuk

11


yang kecil. Ketika puncak temperatur melebihi titik leleh logam,sudut tekuk menjadi negatif karena waktu radiasi yang terlalulama dan menambah ketebalan benda kerja. Hal ini menandakanmekanisme dari laser dengan pulsa bergantung pada daya laser,waktu pemanasan, posisi penjepitan benda kerja, geometri bidangbenda kerja, sifat termal dan kondisi tegangan pra-perlakuan.

Pada penelitian terbaru (Jamil, 2015) dilakukan eksperimenlaser bending dari tabung mikro nikel berdinding tipis yang sudahdilakukan pra-tegangan. Penelitian ini melakukan hal yang sedikitberbeda dengan studi - studi sebelumnya dimana terdapatpemberian tegangan tekan atau kompresif sebelum eksperimen.Penelitian ini menemukan bahwa tegangan awal yang diberikansebelum diradiasi oleh sinar laser meningkatkan deformasi,hubungan antara pra-tegangan dengan deformasi bervariasinamun secara garis besar berhubungan linear.

Gambar 2.5 Hasil sudut tekuk yang dihasilkan untuk setiapinitial displacement dari daya laser dan pulsa laser (Jamil,2015)

12


Hal diatas dapat terjadi karena tingginya konduktivitastermal dan struktur dinding pipa yang tipis, panas terdisipasidengan cepat dari daerah yang terkena sinar menuju kesegalabagian material pipa. Sehingga, kombinasi antara durasi pulsayang kecil dan daya laser yang tinggi cenderung menghasilkangradien temperatur yang curam dan mendorong terjadinyaregangan plastis. Desain dari eksperimen dan analisis regresi jugadilakukan untuk menganalisa pengaruh dari variabel independenpada respon penelitian Telah terbukti bahwa pergeseran awal danjarak pulsa memberikan dampak positif pada proses ini.

Kemudian, sudah diteliti juga mekanisme gradientemperatur pembentukan dengan laser pada plat tipis (Shi, 2007.)Berdasarkan investigasi yang dilakukan, ditemukan bahwadibawah kondisi proses mekanisme gradien temperatur, platlogam yang dibentuk tidak hanya menekuk pada sumbu x tetapijuga pada sumbu y. Model analitis mengestimasikansudut tekukpada sumbu y berdasarkan teori perpindahan panas dan mekanikaelastoplastisitas. Simulasi numerik dilakukan untuk menganalisadeformasi pada plat. Studi ini menemukan tekukan pada sumbu ypada plat lebih terdeformasi secara penuh, dimana sangat bergunauntuk pembentukan dengan presisi tingkat tinggi.

13


Gambar 2.6 Perbandingan hasil eksperimen dengan analisisnumerik pada hubungan antara kecepatan pergerakan laser

dengan sudut tekuk yang dihasilkan (Shi, 2007.)

Penelitian mengenai laser bending pipa baja karbonmedium (07 m20) mendapatkan hubungan yang salingmempengaruhi antara parameter - parameter laser bendingterhadap sudut tekuk yang dihasilkan (Hao,2003.) Sebuah modelanalitis dilakukan untuk memprediksi sudut tekuk yangdihasilkan. Sebuah laser akan menginduksi sudut tekuk yanglebih tinggi secara linear apabila daya laser juga ditingkatkan.Namun hubungan yang tidak linear terjadi pada sudut tekuk yangdihasilkan dari jumlah radiasi laser. Penelitian ini jugamenemukan adanya batas minimum daya laser untukmembengkokkan pipa, jika daya laser berada dibawah batasminimum maka tekukan tidak dapat terjadi pada pipa.

Gambar 2.7 Hubungan linear antara pengaruh daya laserterhadap sudut tekuk, serta adanya daya laser minimum untuk

membengkokan pipa (Hao, 2003.)

Mekanisme buckling dalam pembentukan pipa denga lasertelah dipelajari dalam penelitian berikut (Hsieh, 2005).Mekanisme buckling pada proses bending pipa logam tipisdengan sinar laser dianalisa dengan eksperimen dan metodenumerik. Pipa logam terbuat dari material baja tahan karatdipanaskan dengan sinar laser Gaussian karbon dioksida. Haltersebut menghasilkan fenomena bucklingpada permukaan pipa

14


akibat deformasi elastis - plastis. Masalah termal dan mekanis inidiamati dengan metode elemen hingga tiga dimensi dan telahdiverifikasi defleksinya dengan pengukuran. Berdasarkansimulasi numerik dan ekspeimen terlihat bahwa sudut tekukberosilasi secara signifikan setelah berinteraksi dengan laser padapipa tipis. Ketebalan permukaan pipa naik seiring denganmeningkatnya daya laser. Terlihat bahwa mekanisme bucklingpada pipa logam tipis dibawah laser forming muncul akibatgradien temperatur yang seragam dan deformasi plastis.

Gambar 2.8 Hasil perpindahan radial pada analisa numerik daneksperimental di permukaan pipa baja tahan karat (Hsieh,2005.)

Prinsip kerja las dengan laser sama dengan pengelasankonvensional. Berdasarkan penelitian yang dilakukan, telahdibandingkan antara pengelasan dengan laser dengan pengelasanMetal Active Gas (MAG) pada logam DOCOL 1200 martensitikdan baja TRIP multiphase (Nemecek,2012).

15


(A) (B)

(C) (D)Gambar 2.9 Strutur mikro laser welding pada (A) daerah las -lasan, (B) HAZ dan struktur mikro las Metal Active GAS pada

(C) daerah las - lasan dan (D) HAZ (Nemecek,2012.)

Laser welding diketahui memberikan panas yang lebihsedikit bila dibandingkan dengan pengelasan konvensional.Sehingga struktur mikro pada daerah yang terimbas panas atauheat affected zone yang lebih halus dan lebih tipis. Pada kedualogam DOCOL 1200 martensitic dan baja TRIP multiphase,kekuatan las - lasan dengan laser lebih tinggi dari las busur.Ditemukan juga penurunan kekerasan dan tempering terjadi padadaerah HAZ (Heat Affected Zone). Namun, karena panas yangdiberikan lebih sedikit pada laser welding, maka lebar HAZ padaarc welding lebih mudah terlihat bila dibandingkan dengan laserwelding.

Kemudian, pada laser welding kekuatan dari logam indukDOCOL 1200 dapat dipertahankan dan lebih sedikit terjadielongasi. Pada pengelasan konvensional lebar HAZ sebesar 2 mm

16


dimana 10 kali lebih besar dari pengelasan dengan laser danstruktur mikronya lebih kasar. Kekerasan pada pengelasan denganlaser lebih tinggi karena memberikan gradien temperatur yanglebih besar dan dissipasi panas yang lebih tinggi.

Perbedaan mencolok antara laser welding denganpengelasan konvensional terlihat asil uji tarik pada baja TRIP.Laser welding memiliki pengaruh yang kecil terhadap daerahdisekitar las - lasan. Retakan pada spesimen laser welding terjadidi luar HAZ dan daerah las lasan. Deformasi plastis terdistribusisepanjang spesimen uji tarik. Kekuatan pada daerah las - lasanlaser welding sedikit lebih tinggi dari pada logam induk.

2.2 Metode Analitis Mekanisme Laser Forming2.2.1 Mekanisme Gradien Temperatur

Mekanisme Gradien Temperatur, salah satu mekanismeyang paling umum dibahas, menjelaskan tentang deformasitermal. Sifat - sifat dari mekanisme ini adalah :

1. Arah gradien temperatur tinggi pada suatu objek yangmemiliki ketebalan dipengaruhi oleh feed rate ataukecepatan pergerakan laser dan ukuran diameter laser.

2. Bending bergerak ke sisi berlawanan dari sinar laser selamapemanasan

3. Arah bending bergerak mengikuti arah sinar laser ketikaproses pendinginan.

Model analitis untuk Mekanisme Gradien Temperaturdiusulkan oleh Vollertsen dan akan dijelaskan di bagian ini.Untuk modelnya , ia menggunakan pendekatan energi murni ,dibuat untuk flame bending, yang didasarkan pada asumsi bahwaenergi panas ditransfer kelembaran logam diubah menjadi energiuntuk membengkokan logam. Energi tersebut sama dengan prosesbending dengan cara mekanis. Namun, derajat bending daripendekatan energi menghasilkan sudut yang jauh lebih tinggi dariderajat bending yang terukur.

17


Model energi murni diperbaharui dengan memperkenalkanperhitungan geometri untuk derajat bending seperti yangditunjukkan pada Gambar 2.10 . Dalam gambar, diasumsikanbahwa ekspansi termal sepenuhnya dibatasi, sehingga sepenuhnyadikonversi menjadi kompresi plastis. Peningkatan temperaturlapisan yang dipanaskan dihitung sebagai berikut

∆ = 2(2.1)

dimana:A = koefisien penyerapan daya laserpl = daya laservl = feed ratecp = kapasitas panaslh = panjang pemanasan

18


Gambar 2.10 Sebuah model geometri sederhana unuk analisismenggunakan pendekatan energi: (a) saat pemanasan; dan (b) saat

pendinginan.

2.2.2 Mekanisme BucklingDibandingkan dengan mekanisme gradien temperatur,

mekanisme buckling dapat dihasilkan dengan mengurangi feedrate dan meningkatkan diameter sinar laser untuk menghindarigradien temperatur yang curam dalam gradien temperatur.Berbeda dengan mekanisme gradien temperatur dimana arahbending tidak berubah selama proses pemanasan danpendinginan. sebuah bagian penting dari Mekanisme buckling

19


adalah arah perubahan geometri tidak ditentukan oleh proses itusendiri . Hal ini tergantung pada kondisi batas atau boundarycondition, terutama untuk pra-pembengkokan lembaran logam,tekanan internal dan eksternal atau gaya gravitasi. Namun, dapatdilakukan menekuk lembaran logam dengan cara yang ditentukandengan menggunakan mekanisme buckling, dimana mekanismetersebut memungkinkan digunakan pada proses pembentukanyang fleksibel. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwamekanisme buckling bisa digunakan untuk proses bendinglembaran tipis sepanjang garis lurus menuju atau menjauh darisinar laser. Hal ini juga bisa diaplikasikan untuk proses bendingpipa. Gambar 2.11 menunjukkan tahap - tahap dari sudut bendingdari lembaran logam dengan mekanisme buckling. Gambar 2.11(a) menggambarkan tegangan termal kompresif yang dihasilkanoleh sinar laser. Dapat dilihat tidak ada kecuraman gradientemperatur pada lembaran logam. Gambar 2.11 (b) menunjukkanawal terjadinya buckling di lembaran logam yang berasal dariketidakstabilan karena tegangan termal. Seperti yang sudahdibahas, buckling bisa menuju atau menjauh dari sinar laser,tergantung pada kondisi pre-stressing benda kerja. Gambar 2.11(c) menunjukan tahap kedua dari deformasi plastis dan deformasielastis dalam lembaran logam. Bending plastis terjadi secarakhusus di bagian atas lembaran logam karena laju teganganrendah di wilayah ini akibat kenaikan temperatur dan deformasielastis terlibat di wilayah sekitar daerah plastis karena pemanasanyang lebih rendah. Gaya yang disebabkan oleh deformasi elastismenetral oleh kendala dari bahan sekitarnya. Tekukmeningkatkan sepanjang garis scanning. Angka 2.11 (d)menunjukkan tahap akhir bending. Pembengkokan dihasilkan diseluruh lembar ketika sinar laser meninggalkan permukaan sheetkarena tidak ada lagi gaya yang menahan regangan elastis,kemudian regangan elastis tidak menegang dan menjadi lurus.Bengkokan yang bersifat plastis pun tetap tidak berubah.

20


Gambar 2.11 Tahap - tahap pembentukan dengan laser melaluimekanisme buckling: (a) Munculnya tegangan kompresif akibat

sinar laser; (b) Terjadinya buckling oleh tegangan termal; (c)pertumbuhan deformasi elastis dan plastis, dan (d) pertumbuhan

sudut tekuk. (Jung,2006)

2.2.3 Mekanisme UpsettingMekanisme upsetting adalah mekanisme penebalan atau

pemendekan seperti yang ditunjukan pada gambar 2.4.Dibandingkan dengan parameter yang digunakan dalam

21


mekanisme buckling, mekanisme upsetting merupakanmekanisme yang berdasarkan peningkatan ketebalan dankekakuan untuk menghindari terjadinya buckling dan melibatkandiameter laser yang lebih kecil. Dalam proses mekanismeupsetting, lembaran logam hampir memuai secara konstanmengikuti arah penebalan selama pemanasan dan lebarnyamenyusut ketika pendinginan. Sehingga, ketebalan dari platmeningkat. Proses pemanasan ini diulang sepanjang lebar platdari material untuk merubak ketebalan plat. Mekanisme ini dapatdigunakan untuk membentuk bidang lembaran menjadi bagianyang dapat dibentuk dengan teknik pemanasan yang baik.

Gambar 2.12 Pembentukan dengan laser melalui mekanismeupsetting (Jung, 2006)

2.3 Proses pembentukan dengan Laser2.3.1 Penjelasan Proses

Melalui gambar 2.13 dapat digambarkan skema radiasisinar laser yang menghasilkan sudut tekuk dari pipa logam. Salahsatu sisi lembaran dijepit pada alat CNC (Computer NumericalControl). Pemanasa pada permukaan mateial dengan sinar laserdilakukan pada satu sisi dengan arah yang ditentukan sementarameja CNC bergerak. Mencairnya permukaan benda kerjadihindari dengan mengatur parameter laser yang seperti energilaser, feed rate dan diameter sinar. Lembaran logam memuai padadaerah yang dipanaskan dan tegangan termal muncul dengandibatasi oleh logam dasar disekitarnya.

22


Tegangan termal menimbulkan adanya sudut tekukan atausudut bending pada lembaran logam . Prinsip deformasi termalakan dijelaskan secara rinci dalam bagian berikut . Intensitasradiasi adalah 103 ~ 104 W / cm . Perangkat sumber sinar lasersudah termasuk excimer , karbon dioksida ( CO2 ) danneodymium : yttrium-aluminium garnet ( Nd : YAG ) . Pilihanlaser tergantung pada aplikasinya. Laser excimer dapat digunakanuntuk produksi komponendengan panjang dan lebar dimensi dikisaran 10 mikro meter karena durasi sinyal yang sangat pendek .

Walaupun pembentukan dengan laser menggunakan energiyang aktif dari sinar laser dan bukan dari gaya eksternal, gayagravitas dapat mempengaruhi daerah pinggir tekukan karena beratdari plat itu sendiri. Pengaruh gaya gravitasi dapat bisa diabaikanjika bagian yang dibentuk relatif besar.

Pada umumnya, pelapisan(contohnya, grafit atau fostat)digunakan untuk meningkatkan kemampuan material untukmenyerap energi laser. Tanpa adanya pelapisan, laju penyerapanenergi dapat ditingkatkan dengan cahara yang terpolarisasi ataudengan laser Nd:YAG.

Gambar 2.13 skema laser bending pipa dengan penjepit di salahsatu ujungnya(Hao, 2003)

23


Terdapat satu atau dua sudut tekuk atau bend angle yangdihasilkan setiap radiasi. Sudut tekuk dapat mencapai 180' derajatdengan pengulangan radiasi. Arah jalur laser tergantung padabentuk yang dihasilkan. Pada kasus sederhana, sebuah titik dapatmenjadi jalur laser. Pada contoh lainnya, sebuah garis lurus dapatsepanjang benda kerja menjadi jalur laser.

2.3.1 Prinsip Deformasi TermalDalam pembentukan logam konvensional seperti bending,

drawing, stamping dan pressing, sebuah lembaran metalterdeformasi plastis ketika benda tersebut diberikan teganganlebih besar dari titik luluhnya. Pada pembentukan dengan laser,deformasi plastis terjadi akibat tegangan termal yang diberikanpada permukaan benda kerja saat pemanasan dengan laser danjuga pendinginan.

Gambar 2.14 menunjukan mekanisme gradien temperaturyang terjadi pada proses pembentukan dengan laser. Ketika sinarlaser dengan intensitas daya yang tinggi meradiasi sepanjangpermukaan benda kerja, permukaan material tersebut menyerapsebagian energi dari laser dan energi termal tersebut dihantarkankedalam material dengan laju yang lebih rendah dari penyerapanenergi pada permukaan, sehingga menghasilkan perbedaantemperatur pada setiap ketebalan material. Hal ini mengakibatkanekspansi termal yang berbeda pada setiap ketebalan. Awalnya,material memua pada daerah yang dipanasi sehingga keseluruhanbenda kerja menekuk menjauhi dari sinar laser. Ini disebutdengan 'counter-bending'. Ekspansi termal ini dikonversi menjaditegangan regangan elastis dan tegangan kompresid karenapemuaian bagian material yang dipanaskan dibatasi oleh materialdasar sekitarnya. Ketika tegangan mencapai tegangan alirangradien temperatur, ekspansi termal tambahan akan dikonversikanmenjadi regangan plastis. Untuk mencapa efisiensi yang baik,ekspansi termal harus lebih banyak dikonversikan ke reganganplastis dari pada regangan elastis. Jumlah regangan elastis dapatdikurangi dengan menggunakan temperatur tinggi.

24


Gambar 2.14 Mekanisme gradien temperatur yang terjadi padaproses pembentukan dengan laser; (a) grandien temperatur; (b)

saat pemanasan; (c) ketika pendinginan. (Jung, 2006)

25


Gambar 2.15 Hubungan tegangan-regangan dari materialterhadap temperatur.(Jung, 2006)

Seperti yang digambarkan pada gambar 2.15, reganganelastis sebagai fungsi dari temperatur, ε(T), ditentukan darimodulus elastisitas E dan tegangan alir atau flow stress σf(T),dimana ε(T) = σf(T) / E. Ketikan pendinginan karenakonduktifitas panas ke material, material menyusut pada lapisanatas benda kerja sehingga terdapat tegangan tarik yang lebih besarpada bagian atas. Oleh sebab itu, benda kerja bengkok secaraplastis menuju jalur sinar laser yang mendingin untukmenormalisasikan tegangan tarik yang lebih tinggi seperti yangditunjukan pada gambar 2.15. Sebuah diagram untuk prosespembentukan dengan laser ditunjukan pada gambar 2.16 dibawahini.

26


Gambar 2.16 Diagram alir proses pembentukan denganlaser.(Jung,2006)

2.4 Faktor yang mempengaruhi dalam Laser BendingBerdasarkan penelitian - penelitian yang telah dilakukan

terdapat pengaruh dari faktor - faktor terhadap perubahangeometri dari laser bending. Faktor ini cukup penting dalamproses laser bending dan dapat dikategorikan menjadi tiga bagianyaitu parameter energi, sifat material dan geometri benda kerja.

27


2.4.1 Parameter energiPembentukan dengan laser diasosiasikan dengan

penyerapan energi kedalam benda kerja karena proses tersebutberdasarkan pemanasan permukaan logam dengan sinar laser.Perpindahan panas ke permukaan logam dari sinar laser kepermukaan logam normal dan diekspresikan oleh persamaan dariradius sinar:

( ) = 2 ɳP exp(−2 )(2.1)

dimana:= heat flux

ɳ = adsorptivitas permukaan logamP = daya sinar laserR = radius sinar laserr = jarak dari titik tengan sinar laser

Terlihat bahwa faktor utama yang terlibat dalam absorbsienergi adalah sifat permukaan dari material, daya laser dankecepatan pergerakan. Diameter sinar dan efek pendinginandipertimbangkan relatif kurang berpengaruh dari faktor utamadari laser forming.

2.4.1 Penyerapan permukaan pada materialTerdapat interaksi yang rumit antara perilaku penyerapan

dan parameter proses laser bending. Telah ditunjukan bahwaintensitas laser memiliki pengaruh besar terhadap sifat absorbsi.Contohnya, penyerapan sinar laser terhadap CO2 sangat rendahuntuk material yang tidak dilapisi. Adsorptivitas, yang bergantungpada jenis material, meningkat ketika sinar laser memilikipanjang gelombang yang pendek (contohnya pada laser YAG).

Penyerapan juga sangat dipengaruhi oleh kondisipermukaan logam. Pelapisan permukaan dapat meningkatkankemampuan penyerapan. Pengunaan lapisan grafit disarankan

28


untuk proses ini karena memiliki koefisien absorpsi dalam jangka60 % - 80 % dan metode pelapisan yang mudah. Beberapakerugian dari grafit adalah sulitnya untuk mengotomasikanprosedur pelapisan dan juga dengan adanya lapisan akanmenambah ketebalan yang tidak seragam sehingga penyerapanpanas tidak merata.

2.4.2 Daya LaserPada umumnya, terdapat hubungan linear antara daya laser

dengan sudut bending, dan dalam mesin laser modern, daya laserdikontrol dengan jangkauan yang luas dan rinci(contohnya, 1% -100 %, setiap 1 % dari nilai daya). Maka dari itu, salah satu carauntuk mengkontrol sudut bending dengan mudah adalah dengandaya laser.

Seiring daya meningkat, sudut tekuk meningkat, menujutitik maksimum kemudian turun. Hal ini menandakan bahwaterdapat titik daya optimum laser yang dapat menekuk pipadengan maksimum.

Sudut tekuk dari paduan aluminium relatif jauh lebih kecildari daya laser yang diberikan. Hal ini dikarenakan meningkatnyadisipasi energi dalam material dan terdapat penurunan efisiensipada penyerapan energi pada tingkat tinggi.

2.4.3 Kecepatan PergerakanKecepatan pererakan atau feed rate merupakan cara paling

mudah untuk mengatur penyerapan energi dalam prosespembentukan dengan laser. Sehingga banyak eksperimen yangmelakukan variasi kecepatan pergerakan sinar laser. Telahdiketahui bahwa adanya hubungan secara linear antarameningkatnya kecepatan pergerakan sinar laser dan penurunansudut tekuk yang dihasilkan. Fenomena ini terjadi karena jumlahenergi panas setiap satuan waktu yang ditransfer kedalam bendakerja semakin sedikit sehingga tekukan yang dihasilkan juga turutmengecil.

29


Walaupun jumlah energi pemanasan yang masuk tetapkonstan, jika feed rate bertambah maka sudut tekukan yangdihasilkan akan lebih besar. Hal ini terjadi karena perbedaankecepatan akan mengubah profil temperatur. Pada kecepatanrendah, profil temperatur akan lebih homogen karena terdapatbanyak waktu bagi energi panas masuk kedalam tebal logam.Sehingga regangan plastis dari lapisan logam yang diradiasi dantidak terkena radiasi lebih kecil. Untuk kecepatan pergerakanyang lebih besar, terdapat gradien temperatur yang curam padabenda kerja dan menghasilkan kompresi plastis yang lebih besar.Watkins mengatakan bahwa sudut tekuk meningkat seiringdengan meningkatnya kecepatan sinar laser sampai kecepatantertentu. Sehingga, terdapat kecepatan optimum yang dapatmenghasilkan gradien temperatur yang tepat untuk membuatsudut tekuk maksimum.

2.4.4 Diameter Sinar LaserEfek dari diameter sinar laser terhadap hasil proses laser

bending relatif kurang berpengaruh bila dibandingkan dengandaya laser atau kecepatan pergerakan. Walaupun begitu, diametersinar tetap mempengaruhi hasil laser bending karena terlibatdengan kerapatan energi.

Efek dari pembesaran diameter dari sinar laser akanmemperkecil sudut tekuk yang terbentuk. Meningkatnya diametersinar akan mengurangi kerapatan energi yang dapat mereduksisudut tekuk.

2.4.5 Pengaruh pendinginanDalam mekanisme gradien temperatur, perubahan sudut

benda kerja dihasilkan oleh perbedaan temberatur antara lapisanlogam atas yang teradiasi laser dan lapisan logam bagian bawahyang lebih rendah temperaturnya. Scully sudah mengkajipengaruh pendinginan untuk efisiensi proses denganmeningkatkan perbedaan temperatur. Ditunjukan bahwa

30


pendinginan tidak berpengaruh terhadap sudut tekuk yangterbentuk seperti yang ditunjukan pada tabel 2.1

Tabel 2.2 Pengaruh pendinginan terhadap sudut yang dihasilkanMetode Pendinginan Sudut Tekuk (ᶱ)

Air, konveksi natural, dengan penyanggabaja

1.16

Air, konveksi natural, tanpa penyanggabaja

1.08

Biang Es, seluruh bagian dalam BiangEs

1.11

Induksi udara paksa, ditahan salah satuujungnya

1.13

Konveksi udara normal pada mejaaluminium

1.28

(Jung, 2006)

2.4.6 Sifat MaterialSifat material berperan penting dalam proses laser forming

karena proses tersebut berdasarkan ekspansi termal akibatpemanasan dengan sinar laser. Sifat yang penting diperhatikanadalah konduktivitas termal, kapasitas panas, massa jenis dankoefisien muai.

Hubungan linear terjadi antara sudut tekuk dengan rasioantara koefisien muai terhadap kapasitas panas volumetrik(diekspresikan sebagai perkalian antara specific heat denganmassa jenis). Besaran dari ekspansi termal ditentukan denganpeningkatan temperatur dan koefisien muai untuk seluruhmekanisme laser forming.

Konduktivitas termal merupakan parameter penting yangmempengaruhi profil temperatur pada benda kerja saat diberikanpemanasan. Hal tersebut menentukan gradien temperatursepanjang tebal dan permukaan benda kerja. Sehingga, parameterini terlibat dalam mekanisme temperatur gradient. Konduktivitastermal berpengaruh lebih kecil pada mekanisme upsetting dan

31


bending bila dibandingkan temperatur gradien karena perbendaantemperatur lebih kecil pada mekanisme tersebut.

Pengaruh dari sifat mekanik dapat dijelaskan denganmaterial kekuatan rendah dan material dengan kekuatan tinggi.Pada material kekuatan rendah (contohnya seperti baja paduanrendah) memiliki perbandingan rendah antara tegangan alir atauflow stress terhadap modulus elastisitas. Perbandingan teganganalir terhadap modulus elastisitas sama dengan regangan elastispada kekuatan luluh. Material kekuatan rendah memiliki reganganelastis yang kecil pada titik luluh. Sehingga, regangan elastis yangirreversible atau tidak dapat kembali seperti semula kecil.Material dengan sifat ini memiliki efisiensi tinggi dalampengkonversian energi ekspansi termal menjadi regangan plastis.Pada hal sebaliknya, material kekuatan tinggi (contohnya paduantitanium) menunjukan rasio tinggi antara tegangan alir terhadapmodulus elastisitas. Regangan elastis pada titik luluh padamaterial kekuatan tinggi dua kali atau lebih besar pada materialkekuatan rendah. Sehingga, regangan elastis yang reversibelterdapat pada material kekuatan tinggi yang mengakikbatkansudut tekuk yang dihasilkan lebih kecil bila dibandingkan denganmaterial kekuatan rendah. Pada sebuah eksperimen, sudut tekukyang dihasilkan oleh baja karbon rendah AISI 1018 lebih banyakbila dibandingkan dengan plat baja HY-80.

2.4.7 Geometri benda kerjaParameter geometri benda kerja yang berbengaruh pada

proses laser bending adalah ketebalan, panjang dan lebar. Faktorgeometri yang sangat penting adalah ketebalan. Dimana terdapathubungan yang berbanding terbalik antara sudut tekuk yangdihasilkan dengan kuadrat ketebalan benda kerja, terutama padamekanisme gradien temperatur. Meningkatkan bend edge akanmeningkatkan sudut tekuk tiga kali lipat. Walaupun hal iniberefek lebih kecil dari pada pengaruh tebal benda kerja, hal iniperlu dipertimbangkan terutama pada komponen berdimensi kecilyang akan dilakukan proses laser bending. Ketika jalur lintasan

32


sinar laser diposisikan dengan pinggir benda keraj, maka akanterjadi penurunan sudut tekuk. Sudut tekuk maksimum yang dapatdiperoleh yaitu pada bagian tengah benda kerja. Hal ini dapatterjadi karena dua hal, pertama, ketika jalur pemanasan denganpinggir, pola aliran panas berubah pinggir benda kerja. Daerahdekat dengan pinggiran yang dipanaskan memiliki temperaturyang lebih tinggi dengan daerah yang jauh dari pinggirian bendakerja sehigga memiliki distribusi temperatur yang seragam, makamenghasilkan sudut tekuk yang lebih kecil. Kedua, ketika jalurpemanasan dekat dengan ujung benda kerja, kekakuan bendingyang ditimbulkan tidak simetris sehingga semakin sedikit sudutyang dihasilkan.

2.5 Metode Elemen Hingga2.5.1 Pengertian UmumMetode Elemen Hingga adalah metode numerik berbasiskomputer untuk memecahkan masalah teknik di dalam geometribidang atau volume yang ditetapkan pengguna atau user.Geometri tersebut dibagi menjadi elemen-elemen.Setiap elemenmemiliki node yang digunakan untuk mewakili nilai variabel(contohlnya, temperatur, tegangan dan perpindahan panas) yangmembawahi elemen fungsi interpolasi (disebut juga fungsiaproksimasi).Persamaan matriks menjabarkan sifat-sifat setiapelemen. Hal tersebut ditentukan dengan menggunakan salah satudari tiga pendekatan, yaitu; pendekatan langsung,endekatan variasional, atau pendekatan weighted residual. Setiappersamaan matriks digabungkan untuk menemukan persamaansistem secara keseluruhan. Nilai nodal dari variabel lapangandimasukan pada persamaan sistem. Nilai nodal yang tidakdiketahui dari masalah akan diperoleh dengan menyelesaikanpersamaan sistem. Masalah teknik yang umum ditangani olehMeteode Elemen Hingga antara lain adalah: struktural,termal,aliran fluida, listrik, magnet, kebisingan akustik dan lain -lain. Di dalam proses pembentukan laser ini akan melibatkan

33


masalah struktural dan termal. Di bagian ini,konsep dari FEMdijelaskan secara singkat dalam hal masalah perpindahan panas.

Gambar 2.17 Proses Pengerjaan pada Metode Elemen Hingga(Sonief, 2005.)

2.5.2 Perpindahan Panas dalam FEMPerpindahan panas terjadi pada proses bending dengan

laser akibat pemanasan pada permukaan logam dari sinar laseryang ditembakkan. Dapat dilihat pada gambar 2.18 di bawahmacam-macam perpindahan panas dalam permasalahan konduksi,konveksi dan radiasi.

34


Gambar 2.18 Perpindahan panas yang terjadi pada proseslaser forming (Jung,2006)

Panas berpindah secara konduksi pada bagian dalam darilogam sedangkan pada daerah sekitar logam, perpindahan panasterjadi secara konveksi dan radiasi. Distibusi temperatur dapatdihitung dengan menggunakan metode elemen hingga.

Medium yang homogen dan distribusi temperatur T (x,y, z) dinyatakan dalam koordinat Cartesius. Distribusi temperaturepada volume tertentu dinyatakan dalam persamaan hokumkonversi energi termal sebagai berikut

= + + +(3.1)

Dimana:ρ = densitas mediumcp=specific heat mediumk= konduktivitas termal medium = laju panas yang timbul per unit volume medium

35


= laju dari waktu perubahan dari energi termal per unitvolume, , = laju perpindahan panas per unit area (heat flux)pada koordinat x, y, z

Persamaan (3.1) merupakan bentuk umum dari persamaan difusipanas.

Untuk perpindahan secara konduksi, persamaan heat fluxlebih umum dinyatakan dalam hukum Fourier:" = − + + = − ∇

(3.2)Tanda negatif menandakan panas selalu berpindah menujutemperatur yang lebih rendah.

Sehingga persamaan (3.1) dapat disederhanakan menjadi= −∇. { "} + (3.3)Untuk heat flux permukaan− ∇ = " untuk heat flux

(3.4a)∇ = 0 permukaan adiabatik (3.4b)Untuk kondisi permukaan konveksi− ∇T = ℎ ∞ − ( , , , )

(3.4c)Dimana:h = koefisien konveksiT∞= Temperatur sekitar

Untuk perpindahan panas secara radiasi:− ∇ = " − ( , , , )(3.4d)

Dimana:α = Absorptivitas permukaan" = incident radiant heat flux

36


= konstanta Stefan-Boltzmann= emisivitas permukaan


37

BAB IIIMETODOLOGI PENELITIAN

3.1 Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian

38


3.2 Spesifikasi Material dan Parameter Laser Bending3.2.1 Material pipa

Pada penelitian ini, material yang digunakan dalamproses bending adalah stainlesssteel AISI 304L. Data-dataproperti material yang didapat berasal dari jurnal (Safdar, 2006),North American Stainless dengan standar UNS S30430, EN1.4307 dan ASM HandbookVol 1. Untuk komposisi AISI 304Ldapat dilihat pada tabel 3.1 sedangkan untuk properti materialnyadisajikan pada tabel 3.2

Tabel 3.1 Standar Komposisi Kimia AISI 304L (NAS-UNSS30430, EN 1.4307Unsur C Mn P S Si Cr Ni

Min 18.00 8.00Max 0.03 2.0 0.045 0.030 1.00 20.00 12.00

Tabel 3.2 Properti Material dari AISI 304L

3.2.2 Geometri pipaGeometri yang dipakai pada penelitian ini terdapat dua

geometri, geometri yang pertama berpenampang persegi yangseperti pada gambar 3.2 sedangkan geometri yang keduaberpenampang persegi panjang dengan perbandingan panjang 1.5

39


kali dari panjang sisi persegi dan lebar 0.5 kali panjang sisipersegi, kedua geometri memiliki panjang yang sama yaitu 100mm dengan tebal pipa 0.89 mm. Gambar geometri dapat dilihatpada gambar - gambar dibawah ini:

Gambar 3.2 Penampang melintang pipa persegi

Gambar 3.3 Penampang melintang pipa persegi panjang

40


Gambar 3.4 Model 3 dimensi pipa persegi dan persegipanjang

3.2.3 Parameter Laser BendingAdapun parameter yang dipakai dalam penelitian

kali ini dibagi ke dalam beberapa variabel seperti laser power,scanningspeed, scanningpath disajikan dalam tabel 3.3.

Tabel 3.3 Parameter Laser BendingParameter I II

Geometri PersegiPersegiPanjang

Laser power (W) 1000 1500ScanningSpeed (mm/s) 10 20

ScanningPathAxial-Circum

Axial-Circum

3.3 PeralatanPeralatan yang digunakan dalam penelitian berupa

perangkat lunak (sortware) berbasis elemen hingga yaitu ANSYS

41


dengan modul Mechanical APDL Release 15.0 yang digunakanuntuk membuat pemodelan geometri dan memodelkan simulasilaser bending.

III.1. Proses PenelitianAdapun diagram alir pemodelanbendingpada pipa dengan

menggunakan ANSYS Mechanical APDL Release 15.0 dapatdilihat pada gambar 3.5.

Gambar 3.5 Diagram alir pemodelan menggunakan metodeelemen hingga.

Mulai

PREPROCESSOR

1. Modelling dan Meshing2. Penentuan Element Type3. Material Properties4. Initial Condition5. Boundary Condition

ANALYSIS

1. Tipe Pembebanan2. Tipe Analisa

POSTPROCESSOR

1. Hasil Akhir

Selesai

42


3.4.1 Pemodelan pipaTerdapat dua jenis pipa yang digunakan pada penelitian

ini yaitu yang pertama memiliki penampang berbentuk persegidan kedua dengan penampang persegi panjang. Kedua pipamemiliki dimensi sesuai dengan gambar 3.2 dan gambar 3.3

Tipe elemen yang digunakan pada analisis termal adalahbrickelement (SOLID70) karena elemen tersebut lebih akurat dansecara komputasi lebih efisien dibandingkan dengan yangtetrahedron. SOLID70 memiliki 8 nodes dengan satu derajatkebebasan (degreeoffreedom) temperatur pada masing-masingnode.

Metode meshing yang digunakan pada pipa ini adalahdengan metode sweep dengan elemen hexahedron denganpembagian garis penampang segi empat sebanyak 80 garis danpembagian garis longitudinal sebanyak 80 garis. Hasil meshingpipa berpenampang lingkaran dapat dilihat pada gambar 3.6sedangkan pipa berpenampang elips pada gambar 3.7.

Gambar 3.6 Hasil meshingpada pipa berpenampang Persegi

43


Gambar 3.7 Hasil meshing pada pipa berpenampang PersegiPanjang

3.4.2 Pemodelan material propertiesPada penelitian ini dilakukan dua jenis analisa yaitu

termal yang lalu dibaca oleh struktural, oleh karena ituinputmaterial properties dibagi menjadi dua, yang pertama inputmaterial untuk lingkungan termal dan yang kedua untuklingkungan struktural, material properties yang dimasukkanuntuk lingkungan termal antara lain konduktivitas termalisotropik, specificheat, densitas dan koefisien konveksi yangdapat dilihat pada gambar 3.8

44


Gambar 3.8 Material properties yang di-input

3.4.3 Pemodelan boundaryconditionPerpindahan panas yang terjadi adalah konveksi dan

radiasi dimana konveksi terjadi pada semua permukaan pipakecuali pada daerah yang dikenai sinar laser, konveksi yangterjadi merupakan freeconvection artinya konveksi tanpa adapengaruh dari luar, sedangkan pada kasus radiasi, emisivitasdianggap konstan dan emisivitas untuk AISI 304L padatemperatur kamar adalah 0.08. Proses adiabatik dianggap terjadipada path pipa yang dikenai sinar laser.

Sedangkan untuk analisis mekanik, salah satu sisipenampang pipa akan dijepit ke segala arah. Sehingga dapatdilihat respon mekanik yang terjadi pada pipa tersebut. Tidak adadisplacement sepanjang sumbu simetris.

3.4.4 Pemodelan tipe pembebananPembebanan pada proses ini dibagi menjadi dua yaitu

pembebanan termal dan pembebanan struktural. Pada prosestermal, pipa akan diberi panas yang berasal dari laser yang di-inputkan pada ANSYS dalam bentuk heatflux, pada scanningpath axial, heatflux yang diberikan sepanjang 20 mm di tengahpipa dari posisi z 0.04 mm sampai 0.06 mm, sedangkan pada jalurpemanasan circumferential, heatflux diberikan melintang pada z

45


0.05 mm pada tengah sisi kiri pipa melingkari searah jarum jamsebanyak 180 derajat. Setelah proses scanning pemanasan makadilakukan proses pendinginan secara freeconvection selama 10detik, proses pemanasan dan pendinginan dilakukan berulangsebanyak empat kali. Dari hasil tersebut maka akan didapatkanhasil distribusi temperatur.

Setelah pembebanan termal selesai maka hasil darianalisa termal, maka akan diberi pembebanan struktur, padaproses laser bending, beban yang diberikan hanya berupaconstraint pada ujung pipa (z = 0), tidak ada beban berupa tensileataupun compressive.3.4.5 Tipe analisa

Pada proses analisa termal, analisa yang digunakanmenggunakan analisa transient karena beban yang diberikanmerupakan beban dinamis. Metode analisa yang digunakanmenggunakan sparsedirect.

Sedangkan analisa yang digunakan pada analisa strukturadalah largedisplacementstatic karena beban yang diberikan tetapberupa constraint. Metode yang digunakan yaitu sparsedirect.

46




47

BAB IVANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

Proses bending pipa dengan laser ini dilakukan denganpermodelan elemen hingga. Dalam permodelan terdapat empatmacam parameter yaitu, bentuk penampang melintang, scanningpath, daya laser dan scanning speed. Terdapat dua variasi untuksetiap parameternya sehingga jumlah perlakuan yang dilakukanpada penelitian ini adalah 16 macam perlakuan. Koefisienabsorpsi yang digunakan adalah 0.65 dan diameter sinar laseryang dipakai adalah empat kali tebal dari pipa. Hasil yangdidapatkan dari simulasi berupa distribusi temperatur, historistemperature pada tengah pipa (z=50 mm), historis tegangan,distribusi tegangan, distorsi yang terjadi pada penampang pipadan tekukan. Kondisi perlakuan proses bending pipa dapat dilihatdalam tabel 4.1 di bawah ini.

Tabel 4.1 Kondisi Perlakuan Laser Bending

PerlakuanBentuk

Penampang Scanning path

ScanningSpeed(mm/s)

DayaLaser(W)

1 Persegi Axial 10 10002 Persegi Axial 10 15003 Persegi Axial 20 10004 Persegi Axial 20 15005 Persegi Circumferential 10 10006 Persegi Circumferential 10 15007 Persegi Circumferential 20 10008 Persegi Circumferential 20 1500

9PersegiPanjang Axial 10 1000

10 Persegi Axial 10 1500

48


Panjang



13PersegiPanjang Circumferential 10 1000




Pipa dijepit pada salah satu sisi (z=0 mm) kemudiandilakukan pemanasan oleh laser pada bagian tengah pipa (z= 50mm). Pada scanning path axial, panjang scanning path yangdipanaskan adalah 20 mm pada bagian atas pipa. Sementara padascanning path circumferential, jalur pemanasan dimulai daribagian titik tengah sisi pipa mengitari pipa 180 derajat padasumbu z=50 mm. Setelah proses scanning atau pemanasan,dilakukan pendinginan secara free convection atau konveksibebas ke udara sekitar dengan temperatur ruangan (298 K) selama10 detik. Proses pemanasan dan pendinginan ini diulang sebanyak4 kali.

Tabel 4.2 Skema Waktu ScanningScanningSpeed(mm/s) 10 20

Pemanasan 1 (s) 2 1Pendinginan (s) 10 10Pemanasan 2 (s) 2 1Pendinginan (s) 10 10

49


Pemanasan 3 (s) 2 1Pendinginan (s) 10 10Pemanasan 4 (s) 2 1Pendinginan (s) 100 100

Total Waktu (s) 138 134

4.1 Pipa Persegi4.1.1 Respon Termal

(A)

(B)

50


(c)

(D)

(E)

51


(F)

Gambar 4.1 Distribusi temperatur pada: (a) detik 1; (b) detik 2;(c) detik 12; (d) detik 37; (e) detik 38; dan (f) 138. Perlakuan 1

(Axial Scanning)

(A)

52


(B)

(C)

(D)

53


(E)

(F)Gambar 4.2 Distribusi temperatur pada: (a) detik 1; (b) detik 2;(c) detik 12; (d) detik 37; (e) detik 38; dan (f) 138. Perlakuan 5

(Circumferential Scanning).

Respon temperature dari perlakuan 1 (axial) dapat dilihatpada gambar 4.1 dan perlakuan 5 (circumferential) yang berupadistribusi temperature pada (a) detik 1 pada saat heat fluxmelewati tengah pipa, (b) detik 2 pada saat Pemanasan pertamaselesai, (c) detik ke 12 saat Pendinginan pertama selesai dan (d)detik ke 37 saat heat flux melewati tengah pipa pada scanningterakhir, (e) detik ke 38 saat scanning terakhir selesai, dan (f)detik ke 138 saat Pendinginan terakhir selesai dan proses selesai.

54


Dapat dilihat dari gambar distribusi pada scanning yang pertamadan kedua, dengan skema pemanasan axial, temperatur palingtinggi berpusat pada bagian tengah pipa, kemudian secara gradualmenurun menuju kedua ujung pipa. Pada skema axial pemanasanlebih cenderung terkonsentrasi pada sisi bagian atas pipa (y=0.25inch). Sementara pada skema pemanasan circumferential, selainsisi atas, sisi pinggir pipa (x=±0,25inch) turut mendapat daerahnilai temperatur maksimum seperti yang ditunjukan oleh warnamerah pada gambar 4.3.

Gambar 4.3 Grafik Temperatur vs waktu untuk axial scanningpipa persegi

Pada gambar 4.3 menunjukkan grafik temperaturterhadap waktu selama 4 kali pemanasan dan pendinginan padapipa persegi dengan jalur pemanasasn axial. Temperaturmaksimum tertinggi dicapai pada perlakuan 1 sementaratemperatur maksimum pada perlakuan 4 merupaka yang paling

298

498

698

898

1098

1298

0 10 20 30 40

Tem

pera

tur

(K)

Waktu (Detik)

Perlakuan 1

perlakuan 2

perlakuan 3

Perlakuan 4

55


rendah dari keempat perlakuan. Dapat dilihat pada gambartersebut bahwa yang mencapai temperature tertinggi adalahperlakuan 2 yaitu 1354,79 K di mana pada perlakuan 2 inimenggunakan daya sebesar 1500W dengan kecepatan pemanasan10mm/s. Sementara itu temperatur maksimum yang dicapaiperlakuan 3 adalah 442,46K. Pada perlakuan 3 ini daya yangdigunakan sebesar1000W dengan scanning speed 20 mm/s.

Gambar 4.4 Grafik Temperatur vs waktu untuk circumferentialscanning pipa persegi

Pada gambar 4.4, grafik tersebut menunjukan hubungantemperatur dengan waktu yang dihasilkan pada perlakuan 5hingga perlakuan 8 dengan jalur pemanasan circumferential.Dapat dilihat pada gambar tersebut bahwa yang mencapaitemperature tertinggi adalah perlakuan 6 yaitu 1286,43 K di manapada perlakuan 6 ini menggunakan daya sebesar 1500W dengankecepatan pemanasan 10mm/s. Sementara itu temperaturmaksimum yang dicapai perlakuan 7 adalah 781,75K. Pada

298398498598698798898998

109811981298

0 10 20 30 40 50

Tem

pera

tur

(K)

Waktu (Detik)

Perlakuan 5

Perlakuan 6

Perlakuan 7

perlakuan 8

56


perlakuan 7 ini daya yang digunakan sebesar 1000W denganscanning speed 20 mm/s.

Berdasarkan data tersebut dapat diamati daya laser 1500W akan menghasilkan temperatur maksimum lebih besar biladibandingkan daya 1000W. Selain itu, pada kecepatan pemanasan10 mm/s akan menghasilkan temperatur maksimum yang lebihbesar bila dibandingkan kecepatan pemanasan 20 mm/s.Fenomena ini menunjukan bahwa semakin besar daya laser makasemakin besar pula panas yang masuk ke dalam benda kerja.Kemudian, juga semakin cepat scanning speed maka panas yangditerima pipa akan semakin kecil sehingga kecepatan pemanasanberbanding terbalik terhadap temperatur maksimum yangdihasilkan. Jika dibandingkan antara skema aksial dengancircumferential, temperatur pada jalur pemanasan aksial lebihtinggi bila dibandingkan dengan skema circumferential karenapada pipa persegi, panjang jalur pemanasan aksial lebih panjangbila dibandingkan jalur pemanasan circumferential.

Gambar 4.5 Grafik Gradien Termal sumbu X Vs Waktu(Persegi-Axial) untuk perlakuan 1 hingga perlakuan 4

-3000-2500-2000-1500-1000

-5000

5001000

10 12 14 16

TGX

(K/m

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 1

Perlakuan 2

Perlakuan 3

Perlakuan 4

57


Gambar 4.6 Grafik Gradien Termal sumbu X Vs Waktu(Persegi-Circumferential) untuk perlakuan 5 hingga perlakuan 8

Gambar 4.5 diatas menunjukan gradien temperatur arahsumbu x pada waktu pemanasan kedua untuk perlakuan 1 hingga4 pada titik tengah pipa (z=50 mm). Pada pemanasan dengan jaluraxial atau searah sumbu y ini, perbedaan temperatur terhadapsumbu x dapat teramati. Perlakuan 1 dan perlakuan 2 mengalamifluktuasi gradien thermal pada sekitar detik ke 13 saat sinar lasermelewati titik tengah pipa. Sementara pada perlakuan 3 dan 4 haltersebut terjadi pada detik 11 hingga 12. Perbedaan inidisebabkan oleh scanning speed yang berbeda. Perlakuan 3 dan 4memiliki scanning speed 20 mm/s sementara perlakuan 1 dan 2memiliki scannig speed 10 mm/s sehingga fluktuasi grardienthermal lebih dahulu terjadi pada scanning speed yang lebihcepat.

Gambar 4.6 menunjukan gradien termal arah sumbu xpada perlakuan 5 hingga perlakuan 8. Pada pemberian sinar laserdengan skema circumferential ini dapat diamati bahwa scanningspeed mempengaruhi gradien termal terhadap waktu. Pada

-320000

-220000

-120000

-20000

80000

180000

10 12 14 16

TGX

(K/m

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 5

Perlakuan 6

Perlakuan 7

Perlakuan 8

58


perlakuan 5 dan perlakuan 6 dengan scanning speed 10 mm/sakan mengalami fluktuasi pada antara detik 14 dan 15. Sementarapada perlakuan 7 dan perlakuan 8 dengan scanning speed lebihcepat yaitu 20 mm/s akan mengalami fluktuasi pada antara detik12 dan 13.

Naik turunnya gradien temperatur disebabkanperpindahan penyinaran sinar laser. Pada awalnya temperaturpada node titik tengah tidak terdapat perbedaan dengan nodesekitar. Kemudian saat mulai terdapat pemberian panas, node titikyang mendapat panas terlebih dahulu mempunyai temperaturyang lebih tinggi dari pada temperatur node titik tengah ataudengan kata lain node titik tengah lebih dingin bila dibandingkannode yang sudah diberi penyinaran laser sehingga gradientemperatur menunjukan nilai minus. Kemudian padan saat nodetitik tengah tepat mendapat panas, maka node tersebutmempunyai temperatur yang lebih tinggi dari node yang lainsehingga nilainya menjadi positif.

Besar kecilnya nilai gradien temperatur ini dipengaruhioleh besar daya laser yang diberikan. Dapat terlihat pada gambar4.5 dan 4.6, perlakuan dengan daya laser 1500 W akan memilikinilai gradien temperatur yang lebih besar bila dibandingkandengan gradien temperatur dengan daya laser 1000 W. Hal inidisebabkan oleh panas yang diberikan oleh laser lebih besarsehingga temperatur yang dihasilkan lebih tinggi.

59


Gambar 4.7 Grafik gradien temperatur sumbu y terhadap waktu(Persegi circumferential dan Axial)

Gambar 4.7 menunjukkan variasi gradien pada arah-y(kedalaman) pada titik tengah. Dapat dilihat perbedaan letakpuncak dari thermalgradient di mana pada scanning dengankecepatan 10 mm/s terletak pada sekitar detik ke 12.5 untukskema axial dan detik ke 14,7 untuk skema circumferential.Sedangkan pada kecepatan 20 mm/s terletak pada sekitar detik ke11,5 untuk skema axial dan detik ke 13 untuk skemacircumferential. Dapat dilihat bahwa axialscan memiliki besaranthermalgradient yang paling besar, di mana yang paling besaryaitu yang menggunakan power 1500W dan kecepatan 20 mm/s,artinya semakin besar daya maka thermalgradient semakin tinggidan semakin tinggi kecepatan scan maka thermalgradient jugaakan semakin tinggi, Karena pada kecepatan pemanasan yanglebih lambat, terdapat waktu yang lebih untuk terjadinya proses

-100000

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

10 12 14 16

TGY

(K/m

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 1

Perlakuan 2

Perlakuan 3

Perlakuan 4

Perlakuan 5

Perlakuan 6

Perlakuan 7

Perlakuan 8

60


konduksi disekitar daerah pemanasan sehingga perbedaantemperatur lebih sedikit.

Gambar 4.8 Gradien temperatur arah sumbu z terhadap waktu(Pipa Persegi Panjang circumferential dan Axial)

Gambar 4.8 menunjukkan gradien termal arah sumbu zdari detik 10 sampai 16 di mana untuk jalur axial pada perlakuan1 hingga 4 searah dengan arah scan sedangkan untuk jalurcircumferential merupakan arah lateral sehingga berlawanandengan thermalgradient arah x. Pola gradien thermal sumbu zmenyerupai hasil thermal gradient arah x seperti pada gambar 4.5.Namun, pada nilai TGZ skema circumferential scanning padapercobaan 5 - 8 mendekati nol, jadi dapat diambil kesimpulan jikabesaran gradiet termal akan bernilai mendekati nol pada arahlateral dari scan. Untuk besaran yang terbesar masih sama sepertipada themalgradient arah x dimana yang paling berpengaruhadalah daya (power) di mana semakin besar daya maka besarandari thermalgradient akan semakin besar.

-370000

-270000

-170000

-70000

30000

130000

10 12 14 16

TGZ

(K/m

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 1

Perlakuan 2

Perlakuan 3

Perlakuan 4

Perlakuan 5

Perlakuan 6

Perlakuan 7

Perlakuan 8

61


4.1.2 Respon TeganganSelanjutnya pada penelitian ini dibahas respon tegangan

dalam analisis struktur pipa yang dibending dengan laser sebagaiefek dari beban termal. Pada gambar 4.9 dibawah ini dibahasrespon tegangan pada arah scanning pada detik 0 hingga 16 untukperlakuan 1 hingga 8 di titik tengah pipa.

Gambar 4.9 Grafik Tegangan pada arah pemanasan terhadapwaktu dengan skema axial dan circumferential

Pada grafik diatas, pola tegangan kompresif dan tensileuntuk 8 perlakuan memiliki kencenderungan yang sama. dimulaipada detik ke 0 dan ketika laser mendekati titik tengah pipa,perlakuan dengan scanning speed 20 mm/s akan mengalamicompressive stress dengan puncak pada detik pertama, sementaraperlakuan dengan scanning speed 10 mm/s akan mendapatkanpuncak compressive stress pada detik kedua. Compressive stressmuncul akibat efek dari node yang lain memuai akibat pemanasandan menekan reference node. Tegangan akan bernilai paling kecil

-4.00E+08-3.00E+08-2.00E+08-1.00E+080.00E+001.00E+082.00E+083.00E+084.00E+085.00E+086.00E+08

0 5 10 15

Tega

ngan

(Pa)

Waktu (Detik)

1

2

3

4

5

6

7

8

62


ketika laser berada pada referencenode karena pada saat tersebuttercapai temperature maksimum dan material mengalami yield.Ketika beam laser meninggalkan node tersebut, node tersebutmengalami pemuaian, pemuaian ini ditandai dengan perubahantegangan menjadi tensile stress.

Berdasarkan grafik diatas, dapat dilihat perlakuan 8dengan skema circumferential dengan kecepatan pergerakan laser20 mm/s dan daya laser 1500 W memiliki tegangan tensile 460MPa, terbesar dari perlakuan yang lain. Sementara pada skemaaksial, Perlakuan 3 dengan daya laser 1000 W dengan kecepatanlaser 20 mm/s terdapat tegangan tensile maksimum 430 Mpa.Berdasarkan keseluruhan 8 perlakuan terdapat pola semakin keciltegangan kompresif maka tegangan tariknya semakin besar dantegangan pada jalur aksial lebih kecil dari pada skemacircumferential. Di lain pihak, besar kecilnya tegangan tidakmempengaruhi hasil nilai distorsi. Hal ini disebabkan olehpengaruh geometri pipa yang berperan terhadap pemanasan. Padaskema aksial, laser tidak melewati siku - siku pipa sementara padaskema circumferential sinar laser melewati siku - siku pipa. Padasisi siku - siku pipa, sifatnya lebih kaku bila dibandingkan sisitengah pipa. Sehingga respon pipa terhadap pembebanan termaljuga berbeda.

(A)

63


(B)

(C)Gambar 4.10 Distribusi tegangan pada pipa (σ¬z) pada skema

aksial pada detik ke: (a) 0.125; (b) 1; (c) 138. Deformasidiperbesar 100x untuk memperjelas

Hasil Tegangan arah sumbu z pada pipa dapat dilihatpada gambar 4.10 untuk skema axial dan 4.11 untuk skemacircumferential. Pada kedua gambar bahwa yang ditampilkanadalah tegangan pada pada arah sumbu z karena tegangan tersebutyang akan menyebabkan perubahan secara angular pada pipa baikpada skema circumferential ataupun axial. Tegangan yangberwarna merah merupakakn tegangan yang bernilai positif atautegangan yang bersifat tegangan tarik. Selain itu, daerah tegangan

64


warna biru yang mengindikasikan compressive stress dimana nilaitegangannya berupa negatif.

Gambar 4.10 menunjukkan distribusi tegangan padapermukaan pipa pada skema axial dengan daya laser sebesar1000W dan kecepatan 10 mm/s yang dibagi menjadi tiga tahapanyang berbeda. Tahapan yang pertama yaitu berada pada awalscanning pada detik ke 0.125 (a). Tahap kedua pada saat scanningmelewati tengah dari pipa pada detik pertama (b). Dan tahapanterakhir adalah ketika proses selesai dan proses pendinginanterakhir telah selesai pada detik ke 138 (c). Dapat dilihat padagambar 4.10 (a) bahwa ketika proses pemanasan dimulai, nilaicompressive stress mencapai 339 MPa pada zona yangdipanaskan dengan laser dan daerah sejalur pemanasandiakibatkan oleh tingginya ekspansi termal oleh temperature yangtinggi. Pada daerah tersebut juga terdapat deformasi lokal berupacounter bending. Sedangkan pada daerah yang berwarna merahatau disekitar dari zona biru terdapat tegangan tarik dengan nilaimaksimum 113 MPa yang dihasilkan sebagai reaksi dari ekspansitermal pada daerah sekitar yang dipanasi. sehingga membatasiekspansi termal tersebut. Gambar 4.10 (b) pada detik ke 1 terlihatadanya proses pendinginan pada titik awal pemanasan, dimanategangan tekan yang tadi terjadi berubah menjadi tegangan tarik(maksimum 278 MPa) yang diakibatkan oleh kontraksi padadaerah awal yang dipanaskan. Setelah proses selesai,tensile stresstetap ada pada permukaan sepanjang lintasan yang dilalui olehlaser dan membentuk sudut bending pada pipa yang dapat dilihatpada gambar 4.10 (c). Selain itu pipa melengkung keatas setelahdilakukan pendinginan. Hal ini disebabkan ketika padapemanasan Selesai, bagian atas pipa yang terkena laser lebihdahulu terjadi pendinginan dan panas dari bagian atas berpindahke bagian bawah. Sehingga pada saat pendinginan, bagian atasmengalami kontraksi sementara bagian bawah terjadi pemuaiansehingga mendorong bagian atas pipa.

65


(A)

(B)

(C)

66


Gambar 4.11 Distribusi tegangan pada pipa (σz) pada skemacircumferential pada detik ke: (a) 0.125; (b) 1; (c) 138. Deformasi

diperbesar 100x untuk memperjelas.

Gambar 4.11 menunjukkan distribusi tegangan padapermukaan pipa pada skema circumferential dengan power1500W dan kecepatan 10 mm/s yang dibagi menjadi tiga tahapanyang berbeda. Tahapan yang pertama berada pada awal scanningpada detik ke 0.125 (a). Tahapan kedua pada saat scanningmelewati tengah dari pipa pada detik pertama (b). Dan tahapanterakhir adalah ketika proses selesai dan proses pendinginanterakhir telah selesai pada detik ke 138 (c). Dapat dilihat padagambar 4.11 (a) bahwa ketika proses pemanasan dimulai, nilaicompressive stress yang tertinggi tercatat 330 MPa pada zonayang dipanaskan dan daerah di sekelilingnya yang diakibatkanoleh tingginya ekspansi termal oleh temperature yang tinggi ..Gambar 4.11 (b) sudah terjadi proses pendinginan pada daerahyang telah dipanaskan sebelumnya, compressive stress yang taditerjadi berubah menjadi tensile stress (maksimum 300 MPa) yangdiakibatkan oleh kontraksi pada daerah yang dipanaskan. Setelahproses selesai,tensile stress tetap ada pada permukaan sepanjanglintasan yang dilalui oleh laser dan membentuk sudut bendingpada pipa yang dapat dilihat pada gambar 4.11 (c). Distorsi dapatterlihat pada bagian tengah pipa (z=50mm) sepanjang jalurpemanasan. Hal ini dapat terjadi akibat gradien thermal yangpaling ekstrim disepanjang jalur pemanasan circumferential.

Berdasarkan skema aksial seperti 4.10 dan skemapemanasan circumferential seperti pada gambar 4.11, terdapatperbedaan dalam segi distribusi tegangan dan distorsi, walaupunkedua perlakuan memiliki scanning speed dan daya laser yangsama. Pada skema aksial, tegangan regangan yang terjadi padamaterial lebih banyak terjadi pada arah sumbu z. Sementara padaskema circumferential, tegangan dan regangan lebihterkonsentrasi pada arah sumbu x. Kedua skema ini sama - sama

67


memiliki deformasi lokal pada daerah jalur pemanasan akibatkonsentrasi gradien termal yang sangat tinggi.

Besar kecilnya displacement atau perpindahan dalamsumbu Y untuk melihat seberapa besar ujung pipa terdeformasiuntuk masing masing skema percobaan dapat lebih jauh diamatipada gambar 4.12 dan gambar 4.13 berikut.

Gambar 4.12 Displacement pada arah-y (bending) pada bagianatas pada skema axial.

Dapat dilihat dari gambar 4.12 dengan dari seluruhperlakuan dengan scanning path, perlakuan yang mengalamidisplacement atau perpindahan terhadap sumbu y terbesar adalahperlakuan 2 yaitu 0.0829 mm yang memiliki daya paling besar1500 w dan scanning speed paling rendah 10 mm/s lalu diikutioleh perlakuan 1 yang memiliki daya lebih rendah yaitu 1000dengan scanning 10 mm/s. Pada perlakuan 3 dan perlakuan 4dengan kecepatan pemanasan 20 mm/s, perlakuan 3 dengan dayalaser 1000 W memiliki nilai perpindahan UY terkecil yaitu 0.028mm pada titik z=100mm. Berdasarkan hasil yang didapat maka

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 50 100

UY

(mm

)

Jarak (mm)

Perlakuan 1

Perlakuan 2

Perlakuan 3

Perlakuan 4

68


dapat diambil kesimpulan bahwa dengan semakin besarnya dayamaka displacement akan semakin besar sedangkan untukkecepatan yang meningkatkan displacement adalah denganmemperlambat kecepatan scanning

Gambar 4.13 Displacement pada arah-y (bending) pada bagianatas pada skema circumferential.

Sudut bending dapat ditentukan dengan menghitungdisplacementpada sumbu-y sepanjang garis tepi ke tepi dari z=0sampai z = 100 mm. Jadi sesungguhnya displacement-y sepanjangbagian atas pipa merepresentasikan sudut bending.

Pada skema circumferential pada gambar 4.15 jugamemiliki pola atau urutan displacement yang sama yaituperlakuan dengan power yang lebih tinggi dan kecepatan yanglebih kecil memiliki displacement pada sumbu y paling tinggi.Namun, pada skema circumferential ini, perlakuan 6 memilikinilai UY jauh lebih besar yaitu 0,23 mm dan mengarah ke sumbuy positif. Hal ini dapat terjadi karena pipa pada perlakuan 6 inimemiliki 3 macam parameter yang mendukung. Dimana,

-0.06

-0.01

0.04

0.09

0.14

0.19

0.24

0 50 100

UY

(mm

)

Jarak (mm)

Perlakuan 5

Perlakuan 6

Perlakuan 7

Perlakuan 8

69


perlakuan 6 memiliki jalur circumferential dengan jalurpemanasan yang lebih panjang dari pada aksial, daya laser lebihbesar, dan scanning speed lebih rendah sehingga panas yangditerima pipa pada perlakuan 6 lebih besar ketimbang perlakuanlain. Diikuti dengan perlakuan 5 yang semakin mendekati sumbuy. Dapat dilihat bahwa, jika dibandingkan dengan skema aksial,displacementpada skema circumferential ini lebih mendekati titik0. Hal ini disebabkan oleh adanya fenomena spring back.

Posisi pipa akan bergerak kembali ke posisi awal padasaat unloading atau pelepasan pembebanan, selisih antara titikpada saat pemebanan mulai dilepaskan dan titik posisi akhir pipaberhenti berhenti bergerak inilah yang disebut spring back. Padaproses pemanasan dengan jalur laser circumferential kali ini, sisibagian bawah pipa mendapatkan panas yang lebih besar biladibandingkan jalur pemanasan axial. Pada saat terjadi prosespendinginan akhir, panas pada bagian sisi atas pipa berpindahmenuju sisi bawah pipa yang lebih dingin. Proses perpindahanpanas pada pipa ini menyebabkan sisi bawah pipa memilikitemperatur yang lebih tinggi. Bagian bawah pipa yang masihmemiliki temperatur yang lebih tinggi akan memuai sementarabagian atas pipa yang lebih dahulu dingin akan terjadi penyusutanatau kontraksi. Maka dari itu, terjadi perpindahan UY menujusumbu y positif. Semakin besar panas yang diberikan, makasemakin besar pula pemuaian yang terjadi pada bagian bawahpipa. Hal ini dapat menjelaskan mengapa perlakuan 5 denganscanning speed 10mm/s memiliki nilai UY yang lebih mendekatisumbu Y sama dengan 0 bila dibandingkan nilai UY padaperlakuan 7 dan perlakuan 8 yang memiliki scanning speed 20mm/s.

Dibawah ini terdapat gambar historis displacement-yterhadap waktu yang merupakan representasi dari springbackyang terjadi pada proses pembengkokan yang disajikan padagambar 4.14 dan 4.15.

Gambar 4.14 dibawah menunjukan perlakuan 1 hinggaperlakuan 4 yaitu dengan jalur pemanasan aksial. Pada saat proses

70


pemanasan berakhir, pipa mencapai titik tekukan maksimum padasumbu y negatif. Kemudian pada saat pendinginan, pipa akanmengalami akan bending ke arah sumbu-y positif pada saattertentu akan berhenti dan membentuk trend asymptote terhadapsumbu x yang berarti proses sudah selesai. Dapat dilihat yangmengalami gradient paling curam adalah perlakuan di manamerupakan kombinasi dari skema axial dengan daya laser 1500wdan scanning speed paling lambat yaitu 10 mm/s.

Gambar 4.14 Historis displacement-y pada ujung pipa persegidengan jalur pemanasan aksial.

Gambar 4.15 dibawah menunjukan historis displacement-y pada ujung pipa persegi dengan jalur pemanasancircumferential. Sama seperti skema aksial, proses springback inidimulai ketika pemberian panas dari laser dilepas dandisplacementUY bergerak kearah sumbu y positif. Namun, padajalur pemanasan circumferential terjadi perbedaan dalam lajuspringback. Pada jalur circumferential, laju springback inimemiliki laju yang tetap. Tidak seperti aksial yang lajunya cepatpada awal pendinginan kemudian mengalami perlambatan.Terlihat pada gambar 4.15, pergeseran titik node terhadap sumbu

-0.3-0.25-0.2

-0.15-0.1

-0.050

0.050.1

0.15

30 80 130

UY

(mm

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 1Perlakuan 2Perlakuan 3Perlakuan 4

71


y memiliki kenaikan yang konstant. Pengaruh scanning speed dandaya laser tetap mempengaruhi displacementUY. Perlakuan 6dengan daya laser 1500W dan kecepatan pergerakan laser 10mm/s memiliki gradien yang lebih curam bila dibandingkandengan perlakuan 7 dengan daya 1000 w dan kecepatan 20 mm/s.

Gambar 4.15 Historis displacement-y pada ujung pipa persegidengan jalur pemanasan aksial

-0.00015-1E-04-5E-051E-185E-05

0.00010.000150.0002

0.00025

30 80 130

UY

(mm

)

Waktu (Detik)


72


Gambar 4.16 Profil penampang dari pipa pada axial scanningpada z = 50 mm

Gambar 4.17 Profil penampang dari pipa pada circumferentialscanning pada z = 50 mm

73


Pada gambar 4.16 dapat dilihat bahwa pada axial scan,Pada bagian jalur pemanasan memiliki cekungan kedalam danpada dinding bagian dalam tedapat tonjolan yang lancip kedalampipa. Selain itu pada sisi pinggir kiri dan kanan pipa yang tidakterkena pemanasan langsung cenderung miring ke sisi dalam pipapada bagian atasnya. Sedangkan dari gambar 4.17 padacircumferential scanning terlihat adanya distorsi yang simetrisketiga sisi kiri atas dan bawah pipa. Ketiga sisi mempunyaibentuk yang cekung kedalam pipa. Dapat dilihat dari kedua jenispemanasan axial dan circumferential, distorsi yang dihasilkankeduanya sama - sama simetris, dan sisi yang terkena panaslansung cenderung cekung kedalam. Hal ini disebabkan olehadanya jalur pemanasan pada sisi luar pipa. Dengan adanyapemanasan pada bagian luar, bagian dalam mengalami tensilestress sementara pada bagia luar yang terpanasi langsungmengalami compressive stress. Dapat dilihat pula pada gambar4.14 dan gambar 4.15 bahwa distorsi pada dinding bagian dalambernilai kecil, maksimum hanya mencapai 0,039 mm. Deformasilokal yang terdapat pada jalur pemanasan yang berupa kerutandapat dihilangkan dengan proses machining.

Dalam penampang pipa persegi ini dapat diambilperlakuan mana yang terbaik untuk dilakukan laser bending.Untuk skema axial yang memiliki nilai displacement UY terbesarperlakuan 2 yaitu kombinasi power 1500W dengan kecepatan 10mm/s dengan nilai 0,0829 mm, tegangan yang tercatat 397 MPa,nilai tegangan tersebut merupakan teganan terendah di kategoriaksial. Kemudian untuk skema circumferential, perlakuan yangmemiliki nilai displacement UY terbesar adalah perlakuan 6dengan nilai 0,2339 mm. Perlakuan 6 ini memiliki daya laser1500 W dan kecepatan 10 mm/s dengan nilai teganganmaksimum 422 MPa.

74


4.2 Pipa Persegi Panjang4.2.1 Respon Termal

(A)

(B)

75


(C)

(D)

76


(E)

(F)

77



(Axial Scanning)

(A)

78


(B

(C)

79


(D)

(E)

80


(F)


(Circumferential Scanning).

Respon temperatur pada perlakuan 9 (axial) dapat dilihatpada gambar 4.18 dan perlakuan 13 (circumferential) yang berupadistribusi temperature pada (a) detik 1 pada saat heat fluxmelewati tengah pipa, (b) detik 2 pada saat Pemanasan pertamaselesai, (c) detik ke 12 saat Pendinginan pertama selesai dan (d)detik ke 37 saat heat flux melewati tengah pipa pada scanningterakhir, (e) detik ke 38 saat scanning terakhir selesai, dan (f)detik ke 138 saat Pendinginan terakhir selesai dan proses selesai.Dapat dilihat dari gambar distribusi pada scanning yang pertamadan kedua, dengan skema pemanasan axial, temperatur palingtinggi berpusat pada bagian tengah pipa, kemudian secara gradualmenurun menuju kedua ujung pipa. Pada skema axial pemanasan

81


lebih cenderung terkonsentrasi pada sisi bagian atas pipa (y=0.25inch). Sementara pada skema pemanasan circumferential, selainsisi atas, sisi pinggir pipa (x=±0,25inch) turut mendapat daerahnilai temperatur yang lebih tinggi seperti yang ditunjukan olehwarna merah pada gambar 4.19 (e) .

Gambar 4.20 Temperatur vs waktu untuk axial scanning pipaPersegi Panjang

Pada gambar 4.20 menunjukkan grafik temperaturterhadap waktu selama 4 kali pemanasan dan pendinginan padapipa persegi dengan jalur pemanasasn axial. Temperaturmaksimum tertinggi dicapai pada perlakuan 10 sementaratemperatur maksimum pada perlakuan 11 merupaka yang palingrendah dari keempat perlakuan. Dapat dilihat pada gambartersebut bahwa yang mencapai temperature tertinggi adalahperlakuan 10 yaitu 1317 K di mana pada perlakuan 10 inimenggunakan daya sebesar 1500W dengan kecepatan pemanasan10mm/s. Sementara itu temperatur maksimum yang dicapaiperlakuan 11 adalah 800 K. Pada perlakuan 11 ini daya yangdigunakan sebesar1000W dengan scanning speed 20 mm/s.

298

498

698

898

1098

1298

0 10 20 30 40 50

Tem

pera

tur

(K)

Waktu (Detik)

Perlakuan 9

Perlakuan 10

Perlakuan 11

Perlakuan 12

82


Gambar 4.21 Temperatur vs waktu untuk circumferentialscanning pipa Persegi Panjang

Pada gambar 4.21, grafik tersebut menunjukan hubungantemperatur dengan waktu yang dihasilkan pada perlakuan 13hingga perlakuan 16 dengan jalur pemanasan circumferential.Dapat dilihat pada gambar tersebut bahwa yang mencapaitemperature tertinggi adalah perlakuan 14 yaitu 1386 K di manapada perlakuan 14 ini menggunakan daya sebesar 1500W dengankecepatan pemanasan 10mm/s. Sementara itu temperaturmaksimum yang dicapai perlakuan 15 adalah 841 K. Padaperlakuan 15 ini daya yang digunakan sebesar 1000W denganscanning speed 20 mm/s. Pada pipa berbentuk persegi panjang iniskema cirumferential akan menghasilkan temperatur yang lebihtinggi bila dibandingkan dengan aksial, karena panjang lintasanaksial pada pipa persegi panjang lebih pendek, sehinggaperpindahan panasnya lebih sedikit dengan daya laser dankecepatan pergerakan laser yang sama.

Berdasarkan data tersebut dapat diamati daya laser 1500W akan menghasilkan temperatur maksimum lebih besar biladibandingkan daya 1000W. Selain itu, pada kecepatan pemanasan10 mm/s akan menghasilkan temperatur maksimum yang lebih

298

498

698

898

1098

1298

1498

0 10 20 30 40 50

Tem

pera

tur

(K)

Waktu (Detik)

Perlakuan 13

Perlakuan 14

Perlakuan 15

Perlakuan 16

83


besar bila dibandingkan kecepatan pemanasan 20 mm/s.Fenomena ini menunjukan bahwa semakin besar daya laser makasemakin besar pula panas yang masuk ke dalam benda kerja.Kemudian, juga semakin cepat scanning speed maka panas yangditerima pipa akan semakin kecil sehingga kecepatan pemanasanberbanding terbalik terhadap temperatur maksimum yangdihasilkan. Hal ini terjadi pula pada bagian pembahasan pipabentuk penampang persegi. Sehingga, pengaruh daya laser dankecepatan pemanasan berpengaruh untuk kedua bentuk geometripipa.

Gambar 4.22 Thermal Gradient arah-x Vs Waktu (Axial) untukperlakuan 9 hingga perlakuan 12

Gambar 4.22 diatas menunjukan gradien temperatur arahsumbu x pada waktu pemanasan kedua untuk perlakuan 9 hingga12 pada titik tengah pipa (z=50 mm). Pada pemanasan denganjalur axial atau searah sumbu y ini, perbedaan temperaturterhadap sumbu x dapat teramati. Perlakuan 9 dan perlakuan 10mengalami fluktuasi gradien thermal pada sekitar detik ke 13saat sinar laser melewati titik tengah pipa. Sementara pada

-20-10

01020304050607080

10 12 14 16

TGX

(K/m

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 9

Perlakuan 10

Perlakuan 11

Perlakuan 12

84


perlakuan 11 dan 12 hal tersebut terjadi pada detik 11 hingga 12.Perbedaan ini disebabkan oleh scanning speed yang berbeda.Perlakuan 11 dan 12 memiliki scanning speed 20 mm/s sementaraperlakuan 9 dan 10 memiliki scannig speed 10 mm/s sehinggafluktuasi grardien thermal lebih dahulu terjadi pada scanningspeed yang lebih cepat.

Gambar 4.23 Thermal Gradient arah sumbu x Vs Waktu(Circumferential) untuk perlakuan 13 hingga perlakuan 16

Gambar 4.23 menunjukan gradien termal arah sumbu x padaperlakuan 13 hingga perlakuan 16. Pada pemberian sinar laserdengan skema circumferential ini dapat diamati bahwa scanningspeed mempengaruhi gradien termal terhadap waktu. Padaperlakuan 13 dan perlakuan 14 dengan scanning speed 10 mm/sakan mengalami fluktuasi pada antara detik 13,5 dan 15.Sementara pada perlakuan 15 dan perlakuan 16 dengan scanningspeed lebih cepat yaitu 20 mm/s akan mengalami fluktuasi padaantara detik 11,5 dan 13.

Naik turunnya gradien temperatur disebabkanperpindahan penyinaran sinar laser. Pada awalnya temperatur

-400000

-300000

-200000

-100000

0

100000

200000

300000

10 12 14 16

TGX

(K/m

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 13

Perlakuan 14

Perlakuan 15

Perlakuan 16

85


pada node titik tengah tidak terdapat perbedaan dengan nodesekitar. Kemudian saat mulai terdapat pemberian panas, node titikyang mendapat panas terlebih dahulu mempunyai temperaturyang lebih tinggi dari pada temperatur node titik tengah ataudengan kata lain node titik tengah lebih dingin bila dibandingkannode yang sudah diberi penyinaran laser sehingga gradientemperatur menunjukan nilai minus. Kemudian padan saat nodetitik tengah tepat mendapat panas, maka node tersebutmempunyai temperatur yang lebih tinggi dari node yang lainsehingga nilainya menjadi positif.

Hal ini juga terjadi pada geometri pipa persegi sepertipada pembaasan sebelumnya. Besar kecilnya nilai gradientemperatur ini dipengaruhi oleh besar daya laser yang diberikan.Dapat terlihat pada gambar 4.22 dan 4.23, perlakuan dengan dayalaser 1500 W akan memiliki nilai gradien temperatur yang lebihbesar bila dibandingkan dengan gradien temperatur dengan dayalaser 1000 W. Hal ini disebabkan oleh panas yang diberikan olehlaser lebih besar sehingga temperatur yang dihasilkan lebih tinggi.

Gambar 4.24 Gradien temperatur arah sumbu y terhadap waktu(Pipa Persegi Panjang circumferential dan Axial) untuk perlakuan

9 hingga perlakuan 16

-6000040000

140000240000340000440000540000640000740000840000

10 12 14 16

TGY

(K/m

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 9

Perlakuan 10

Perlakuan 11

Perlakuan 12

Perlakuan 13

Perlakuan 14

Perlakuan 15

Perlakuan 16

86


Gambar 4.24 menunjukkan variasi gradien pada arah-y(kedalaman) pada titik tengah. Dapat dilihat perbedaan letakpuncak dari gradien temperatur di mana pada scanning dengankecepatan 10 mm/s terletak pada detik ke 13 untuk skema axialdan detik ke 14 untuk skema circumferential. Sedangkan padakecepatan 20 mm/s terletak pada detik ke 11,5 untuk skema axialdan detik ke 13 untuk skema circumferential. Dapat dilihat bahwaaxialscan memiliki besaran thermalgradient yang paling besar, dimana yang paling besar yaitu yang menggunakan power 1500Wdan kecepatan 20 mm/s, artinya semakin besar daya makathermalgradient semakin tinggi dan semakin tinggi kecepatanscan maka thermalgradient juga akan semakin tinggi karena padakecepatan pemanasan yang lebih lambat, terdapat waktu yanglebih untuk terjadinya proses konduksi disekitar daerahpemanasan sehingga perbedaan temperatur lebih sedikit.

Gambar 4.25 Gradien temperatur arah sumbu z terhadap waktu(Pipa Persegi Panjang circumferential dan Axial) untuk perlakuan

9 hingga perlakuan 16

-350000-300000-250000-200000-150000-100000

-500000

50000100000150000

10 12 14 16

TGZ

(K/m

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 9

Perlakuan 10

Perlakuan 11

Perlakuan 12

Perlakuan 13

Perlakuan 14

Perlakuan 15

Perlakuan 16

87


Gambar 4.25 menunjukkan gradien termal arah sumbu zdari detik 10 sampai 16 di mana untuk jalur axial pada perlakuan9 hingga 12 searah dengan arah scan sedangkan untuk jalurcircumferential merupakan arah lateral sehingga berlawanandengan thermalgradient arah x. Pola gradien thermal sumbu zmenyerupai hasil thermal gradient arah x seperti pada gambar4.22. Namun, pada nilai TGZ skema circumferential scanningpada percobaan 13 - 16 mendekati nol, hal ini dapat terjadi karenabesaran gradiet termal akan bernilai mendekati nol pada arahlateral dari scan. Untuk besaran yang terbesar masih sama sepertipada themalgradient arah x dimana yang paling berpengaruhadalah daya (power) di mana semakin besar daya maka besarandari thermalgradient akan semakin besar.

4.2.2 Respon Tegangan

Gambar 4.26 Grafik Tegangan pada arah pemanasan terhadapwaktu dengan skema axial dan circumferential

-4.00E+08-3.00E+08-2.00E+08-1.00E+080.00E+001.00E+082.00E+083.00E+084.00E+085.00E+08

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tega

ngan

(Pa)

Waktu (Detik)

Perlakuan 9Perlakuan 10Perlakuan 11Perlakuan 12Perlakuan 13Perlakuan 14Perlakuan 15Perlakuan 16

88


Pada grafik diatas, pola tegangan kompresif dan tensileuntuk perlakuan 9 hingga perlakuan 16 memiliki pola yang sama.dimulai pada detik ke 0 dan ketika laser mendekati titik tengahpipa, perlakuan dengan scanning speed 20 mm/s akan mengalamicompressive stress dengan puncak pada detik pertama, sementaraperlakuan dengan scanning speed 10 mm/s akan mendapatkanpuncak compressive stress pada detik kedua. Compressive stressmuncul akibat efek dari node yang lain memuai akibat pemanasandan menekan reference node. Tegangan akan bernilai paling kecil(hampir nol) ketika laser berada pada referencenode karena padasaat tersebut tercapai temperature maksimum dan materialmengalami yield. Ketika beam laser meninggalkan node tersebut,node tersebut mengalami pemuaian, pemuaian ini ditandai denganperubahan tegangan menjadi tensile stress. Tegangan pipa denganskema axial memiliki nilai yang lebih kecil bila dibandingkandengan skema circumferential untuk daya laser dan kecepatanpemanasan yang sama. Hal ini dapat terjadi karena skemacircumferential memiliki jalur yang lebih panjang biladibandingkan jalur aksial terutama pada geometri persegi panjangsehingga lebih banyak panas yang diterima oleh pipa pada jalurcircumferential.

Berdasarkan grafik diatas, dapat dilihat perlakuan 15dengan skema circumferential dengan kecepatan pergerakan laser20 mm/s dan daya laser 1000 W memiliki tegangan tensile 451MPa, terbesar dari perlakuan yang lain. Sementara pada skemaaksial, perlakuan 11 dengan daya laser 1000 W dengan kecepatanpergerakan laser 20 mm/s memiliki tegangan tensile terbesaruntuk skema aksial dengan nilai 432 Mpa. Berdasarkankeseluruhan perlakuan 8 hingga 16 terdapat pola semakin keciltegangan kompresif maka tegangan tariknya semakin besar dantegangan pada jalur aksial lebih kecil dari pada skemacircumferential. Di lain pihak,besar kecilnya teganan tidak selalumempengaruhi nilai distorsi. Hal ini disebabkan oleh pengaruhgeometri pipa yang berperan terhadap pemanasan. Pada skemaaksial, laser tidak melewati siku - siku pipa sementara pada skema

89


circumferential sinar laser melewati siku - siku pipa. Pada sisisiku - siku pipa, sifatnya lebih kaku bila dibandingkan sisi tengahpipa. Sehingga respon pipa terhadap pembebanan termal jugaberbeda

(A)

90


(B)

91


Gambar 4.27 Distribusi tegangan pada pipa persegi panjang(σ¬z) pada skema aksial pada detik ke: (a) 0.125; (b) 1; (c) 138.

Deformasi diperbesar 100x untuk memperjelas

Hasil Tegangan arah sumbu z pada pipa dapat dilihatpada gambar 4.27 untuk skema axial dan 4.28 untuk skemacircumferential. Pada kedua gambar bahwa yang ditampilkanadalah tegangan pada pada arah sumbu z karena tegangan tersebutyang akan menyebabkan perubahan secara angular pada pipa baikpada skema circumferential ataupun axial. Tegangan yangberwarna merah merupakakn tegangan yang bernilai positif atautegangan yang bersifat tegangan tarik. Selain itu, daerah teganganwarna biru yang mengindikasikan compressive stress dimana nilaitegangannya berupa negatif.

Gambar 4.27 menunjukkan distribusi tegangan padapermukaan pipa pada skema axial dengan daya laser sebesar1000W dan kecepatan 10 mm/s yang dibagi menjadi tiga tahapanyang berbeda. Tahapan yang pertama yaitu berada pada awalscanning pada detik ke 0.125 (a). Tahap kedua pada saat scanningmelewati tengah dari pipa pada detik pertama (b). Dan tahapanterakhir adalah ketika proses selesai dan proses pendinginanterakhir telah selesai pada detik ke 138 (c). Dapat dilihat padagambar 4.25 (a) bahwa ketika proses pemanasan dimulai, nilaicompressive stress mencapai 339 MPa pada zona yangdipanaskan dengan laser dan daerah sejalur pemanasandiakibatkan oleh tingginya ekspansi termal oleh temperature yangtinggi. Pada daerah tersebut juga terdapat deformasi lokal berupacounter bending. Sedangkan pada daerah yang berwarna merahatau disekitar dari zona biru terdapat tegangan tarik dengan nilaimaksimum 113 MPa yang dihasilkan sebagai reaksi dari ekspansitermal pada daerah sekitar yang dipanasi. sehingga membatasiekspansi termal tersebut. Gambar 4.25 (b) pada detik ke 1 terlihatadanya proses pendinginan pada titik awal pemanasan, dimanategangan tekan yang tadi terjadi berubah menjadi tegangan tarik(maksimum 278 MPa) yang diakibatkan oleh kontraksi pada

92


daerah awal yang dipanaskan. Setelah proses selesai,tensile stresstetap ada pada permukaan sepanjang lintasan yang dilalui olehlaser dan membentuk sudut bending pada pipa yang dapat dilihatpada gambar 4.27 (c). Selain itu pipa melengkung keatas setelahdilakukan pendinginan. Hal ini disebabkan ketika padapemanasan Selesai, bagian atas pipa yang terkena laser lebihdahulu terjadi pendinginan dan panas dari bagian atas berpindahke bagian bawah. Sehingga pada saat pendinginan, bagian atasmengalami kontraksi sementara bagian bawah terjadi pemuaiansehingga mendorong bagian atas pipa.

(A)

93


(B)

94


(C)Gambar 4.28 Distribusi tegangan pada pipa persegi panjang

(σ¬z) pada skema circumferential pada detik ke: (a) 0.125; (b) 1;(c) 138. Deformasi diperbesar 100x untuk memperjelas

Gambar 4.28 menunjukkan distribusi tegangan padapermukaan pipa pada skema circumferential dengan daya laser1000W dan kecepatan 10 mm/s yang dibagi menjadi tiga tahapanyang berbeda. Tahapan yang pertama berada pada awal scanningpada detik ke 0.125 (a). Tahapan kedua pada saat scanningmelewati tengah dari pipa pada detik pertama (b). Dan tahapanterakhir adalah ketika proses selesai dan proses pendinginanterakhir telah selesai pada detik ke 138 (c). Dapat dilihat padagambar 4.28 (a) bahwa ketika proses pemanasan dimulai, nilaicompressive stress yang tertinggi tercatat 330 MPa pada zonayang dipanaskan dan daerah di sekelilingnya yang diakibatkanoleh tingginya ekspansi termal oleh temperature yang tinggi ..Gambar 4.28 (b) sudah terjadi proses pendinginan pada daerahyang telah dipanaskan sebelumnya, compressive stress yang taditerjadi berubah menjadi tensile stress (maksimum 300 MPa) yangdiakibatkan oleh kontraksi pada daerah yang dipanaskan. Setelahproses selesai,tensile stress tetap ada pada permukaan sepanjanglintasan yang dilalui oleh laser dan membentuk sudut bendingpada pipa yang dapat dilihat pada gambar 4.28 (c). Distorsi dapatterlihat pada bagian tengah pipa (z=50mm) sepanjang jalurpemanasan. Hal ini dapat terjadi akibat gradien thermal yangpaling ekstrim disepanjang jalur pemanasan circumferential.

Berdasarkan skema aksial seperti gambar 4.25 dan skemapemanasan circumferential seperti pada gambar 4.26, terdapatperbedaan dalam segi distribusi tegangan dan distorsi, walaupunkedua perlakuan memiliki scanning speed dan daya laser yangsama. Pada skema aksial, tegangan regangan yang terjadi padamaterial lebih banyak terjadi pada arah sumbu z. Sementara padaskema circumferential, tegangan dan regangan lebihterkonsentrasi pada arah sumbu x. Kedua skema ini sama - sama

95


memiliki deformasi lokal pada daerah jalur pemanasan akibatkonsentrasi gradien termal yang sangat tinggi.

Besar kecilnya displacementatau perpindahan dalamsumbu Y untuk melihat seberapa besar ujung pipa terdeformasiuntuk masing masing skema percobaan dapat lebih jauh diamatipada gambar 4.29 dan gambar 4.30 berikut

Gambar 4.29 Displacement pada arah-y (bending) pada bagianatas pada skema axial.

Dapat dilihat dari gambar 4.29 dengan dari seluruhperlakuan dengan scanning path, perlakuan yang mengalamidisplacementatau perpindahan terhadap sumbu y terbesar adalahperlakuan 10 yaitu 0.146 mm yang memiliki daya paling besar1500 w dan scanning speed paling rendah 10 mm/s lalu diikutioleh perlakuan 9 yang memiliki daya lebih rendah yaitu 1000dengan scanning 10 mm/s. Pada perlakuan 11 dan perlakuan 12dengan kecepatan pemanasan 20 mm/s, perlakuan 11 dengan dayalaser 1000 W memiliki nilai perpindahan UY terkecil yaitu 0.045mm pada titik z=100mm. Berdasarkan hasil yang didapat makadapat diambil kesimpulan bahwa dengan semakin besarnya daya

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0 50 100

UY

(mm

)

Jarak (mm)

Perlakuan 9

Perlakuan 10

Perlakuan 11

Perlakuan 12

96


maka displacementy akan semakin besar sedangkan untukkecepatan yang meningkatkan displacementy adalah denganmemperlambat kecepatan scanning

Gambar 4.30 Displacement pada arah-y (bending) pada bagianatas pada skema circumferential.

Pada skema circumferential pada gambar 4.30 jugamemiliki pola atau urutan displacement yang sama yaituperlakuan dengan power yang lebih tinggi dan kecepatan yanglebih kecil memiliki displacementpada sumbu y paling tinggi.Namun, pada skema circumferential ini, perlakuan 14 memilikinilai UY jauh lebih besar yaitu 1,08 mm dan mengarah ke sumbuy positif. Hal ini dapat terjadi karena pipa pada perlakuan 14 inimemiliki 3 macam parameter yang mendukung. Dimana,perlakuan 6 memiliki jalur circumferential dengan jalurpemanasan yang lebih panjang dari pada aksial, daya laser lebihbesar, dan scanning speed lebih rendah sehingga panas yangditerima pipa pada perlakuan 6 lebih besar ketimbang perlakuan

-0.15

0.05

0.25

0.45

0.65

0.85

1.05

1.25

0 50 100

UY

(mm

)

Jarak (mm)

Perlakuan 13

Perlakuan 14

Perlakuan 15

Perlakuan 16

97


lain. Diikuti dengan perlakuan 5 yang semakin mendekati sumbuy. Dapat dilihat bahwa, jika dibandingkan dengan skema aksial,displacementpada skema circumferential ini lebih mendekati titik0.

Hal diatas terjadi karena disebabkan oleh adanyafenomena spring back. Seperti yang dijelaskan pada subbab 4.1.2tentang respon tegangan pada pipa persegi, fenomena spring backjuga terjadi pada pipa berpenampang persegi panjang. Springback ini merupakan posisi pipa ke posisi awal pada saatunloading atau pelepasan pembebanan. Pada proses pemanasandengan jalur laser circumferential kali ini, sisi bagian bawah pipamendapatkan panas yang lebih besar bila dibandingkan jalurpemanasan axial. Pada saat terjadi proses pendinginan akhir,panas pada bagian sisi atas pipa berpindah menuju sisi bawahpipa yang lebih dingin. Proses perpindahan panas pada pipa inimenyebabkan sisi bawah pipa memiliki temperatur yang lebihtinggi. Bagian bawah pipa yang masih memiliki temperatur yanglebih tinggi akan memuai sementara bagian atas pipa yang lebihdahulu dingin akan terjadi penyusutan atau kontraksi. Maka dariitu, terjadi perpindahan UY menuju sumbu y positif. Semakinbesar panas yang diberikan, maka semakin besar pula pemuaianyang terjadi pada bagian bawah pipa. Hal ini dapat menjelaskanmengapa perlakuan 13 dan 14 dengan scanning speed 10mm/smemiliki nilai UY yang positif bila dibandingkan nilai UY padaperlakuan 15 dan perlakuan 16 yang memiliki scanning speed 20mm/s.

Fenomena kembalinya pipa ke setelah yang terjadi padapipa berpenampang persegi panjang dapat lebih rinci dijelaskanpada gambar 4.31 dan gambar 4.32. Berdasarkan kedua gambardibawah, dapat diamati bahwa kedua gambar menunjukan nilaiperpindahan node yang merepresentasikan besar tekukan terhadapwaktu. Pola atau tren grafik pada pipa berpenampang persegipanjang ini sama dengan tren pada pipa berpenampang segiempat.

98


Gambar 4.31 Historis displacement-y pada ujung pipa persegipanjang dengan jalur pemanasan aksial

Gambar 4.32 Historis displacement-y pada ujung pipa persegipanjang dengan jalur pemanasan circumferential

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.10

0.20

30 80 130

UY

(mm

)

Waktu (Detik)

Perlakuan 9

Perlakuan 10

Perlakuan 11

Perlakuan 12

-0.3-0.10.10.30.50.70.91.11.3

30 80 130

UY

(mm

)

Waktu (Detik)


99


Pada jalur pemanasan aksial, pada awal pendinginan lajuspring back atau kembalinya posisi pipa ke arah sumbu y positifberlangsung cepat hingga ke detik 60 kemudian berangsur -angsur melambat hingga tidak terjadi pergeseran. Semakin besardaya laser dan semakin rendah kecepatan sinar laser maka nilaiperpindahan node dari akhir pemanasan hingga waktupendinginan akhir semakin besar. Hal ini dapat diamati padaperlakuan 10 dan perlakuan 14 dengan daya 1500 W dankecepatan sinar laser 10 mm/s memiliki pergeseran paling besar.Perlakuan 10 memiliki selisih terebesar yaitu bergeser 0,61 mmke arah sumbu y positif dari titik y=0 m Sementara padaperlakuan 16 dan

Gambar 4.33 Profil penampang dari pipa persegi panjang padaaxial scanning pada z = 50 mm

Pada gambar 4.33 dapat dilihat bahwa pada axial scanterdapat bentuk distorsi yang simetris. Pada bagian jalurpemanasan memiliki cekungan kedalam dan pada dinding bagiandalam tedapat tonjolan yang lancip kedalam pipa. Selain itu pada

100


sisi pinggir kiri dan kanan pipa yang tidak terkena pemanasanlangsung cenderung miring ke sisi dalam pipa pada bagianatasnya.

Gambar 4.34 Profil penampang dari pipa pada circumferentialscanning pada z = 50 mm

Sedangkan dari gambar 4.34 pada circumferentialscanning terlihat adanya distorsi yang asimetris. Ketiga sisimempunyai bentuk yang cekung ke dalam pipa. Namun pada sisiatas pipa, cekungan tidak tepat pada sumbu x=0 tetapi bergeser kesumbu x negatif. Hal ini membuat sisi kanan pipa naik ke arahsumbu y positif dan sisi kiri pipa turun ke arah y negatif. Hal initerjadi karena sisi luar pipa yang terlebih dahulu diberipemanasan adalah sisi sebelah kiri, sehingga pada saat mulaipendinginan sisi sebelah kanan memiliki temperatur lebih tinggidari pada sisi kiri. Kemudian membuat sisi sebelah kanan pipamemuai dan sisi sebelah kiri menyusut dalam waktu yangbersaamaan. Dapat dilihat dari kedua jenis pemanasan axial dan

101


circumferential, sisi yang terkena panas lansung cenderungcekung kedalam. Hal ini disebabkan oleh adanya jalur pemanasanpada sisi luar pipa. Dengan adanya pemanasan pada bagian luar,bagian dalam mengalami tensile stress sementara pada bagia luaryang terpanasi langsung mengalami compressive stress. Selainitu, dapat dilihat pada gambar 4.33 bahwa nilai distorsimaksimum pada dinding bagian dalam bergeser 0,079 mmkedalam pipa dan pada skema circumferential yang terlihat padagambar 4.34 nilai distorsi maksimum terdapat pada sisi kananpipa yaitu terjadi pergeseran 0,039 mm dari titik awal. Deformasilokal yang terdapat pada jalur pemanasan yang berupa kerutandapat dihilangkan dengan proses machining.

Dalam penampang pipa persegi panjang ini dapat diambilperlakuan mana yang terbaik untuk dilakukan laser forming.Untuk skema axial, perlakuan yang memiliki nilai displacementUY terbesar adalah perlakuan 10 yaitu kombinasi daya laser1500W dengan kecepatan 10 mm/s dengan nilai 0,097 mm,tegangan yang tercatat 420 MPa, nilai tegangan tersebut nomorrendah pada kategori aksial. Kemudian untuk skemacircumferential, perlakuan yang memiliki nilai displacement UYterbesar adalah perlakuan 14 dengan nilai 1,12 mm. Perlakuan 14ini memiliki daya laser 1500 W dan kecepatan 10 mm/s dengannilai tegangan maksimum 414 MPa dimana tegangan tersebutmerupakan tegangan terendah dari kategori circumferential.

4.3 Analisa SensitivitasUntuk mengetahui pengaruh jumlah elemen yang

ditentukan dari hasil meshing terhadap solusi hasil permodelandalam tulisan ini yaitu terhadap termal dan struktur dalam bentukdistribusi temperature, distribusi tegangan dan hasildisplacementdiperluknan analisa sensitivitas. Variasi meshingyang digunakan untuk menentukan sensitivitas ini ada tiga, yaitunormal, halus dan sangat halus, normal adalah meshing yangdigunakan, halus adalah meshing yang lebih halus dan sangat

102


halus adalah meshing yang paling halus. Jumlah elemen untukmasing-masing meshing dapat dilihat pada tabel 4.3 dibawah ini.

Tabel 4.3 Jumlah elemen yang digunakanMesh Jumlah Elemen

Normal 14904Halus 15824

Sangat Halus 18654

Gambar 4.35 dibawah merupakan perbandingantemperatur antar meshing, dapat dilihat perbedaan antara meshingnormal, halus dan sangat halus dimana tidak terdapat perbedaanyang signifikan dengan perubahan elemen.

(A) (B)

(C) (D)

103


(E) (F)Gambar 4.35 Distribusi temperatur pada: detik 1 untuk meshing:

(a) normal; (b) halus; (c) sangat halus; dan detik 138 untukmeshing: (d) normal; (e) halus; dan (f) sangat halus

(A) (B)

(C) (D)

104


(E) (F)Gambar 4.36 Distribusi tegangan arah sumbu-z pada detik 1

pada meshing: (a) normal; (b) halus; (c) sangat halus; dan detik ke138 untuk meshing: (d) normal; (e) halus; dan (d) sangat halus.

Melihat gambar 4.34 diatas yang merupakanperbandingan tegangan antar meshing, terdapat perbedaan yangtidak terlalu besar dan tidak signifikan, pola distribusi teganganpun masih memiliki pola yang sama antar meshing.

Berdasarkan analisis termal dan struktur untuk masing-masing meshing, meshing jenis normal dapat diaplikasikan dalampenelitian ini karena jumlah elemen tidak berpengaruh besarterhadap hasil perlakuan dan meshing normal ini memilkikelebihan efisiensi waktu dalam menjalankan simulasipermodelan.


105

BAB VKESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KesimpulanBerdasarkan penelitian yang sudah dilakukan dapat

diambil kesimpulan bahwa:1. Bentuk penampang persegi persegi panjang memberikan

nilai UY yang merepresentasikan tekukan pada pipa lebihtinggi bila dibandingkan dengan bentuk penampangpersegi, nilai UY maksimum yang tercatat adalah 1,129mm. Kemudian, bentuk persegi memiliki nilai teganganmaksimum yang lebih rendah bila dibandingkan denganbentuk persegi panjang, dengan nilai tegangan maksimumterendah 397 Mpa.

2. Daya laser yang lebih tinggi mengakibatkan temperaturmaksium dan gradien temperatur yang lebih tinggi. Haltersebut mengakibatkan distorsi pipa yang lebih tinggijuga. Daya laser 1500W memberikan nilai UY palingtinggi sebesar 1,129 mm dengan kombinasi jalurcircumferential, kecepatan scanning 10 mm/s sertategangan maksimum 414 MPa pada pipa persegi panjang

3. Scanningning speed lebih lambat membuat panas yangditerima pipa lebih besar. Semakin lambat kecepatannyamaka distorsi yang dihasilkan lebih besar. Kecepatanscanning 10 mm/s pada pipa persegi panjangmengakibatkan nilai UY paling tinggi sebesar 1,129 mmdan tegangan maksimum 414 Mpa dengan daya laser1500W.

4. Jalur pemanasan yang lebih panjang mengakibatkan panasyang diterima pipa semakin tinggi sehingga nilai UY yangdihasilkan lebih besar. Namun pada jalur aksialmengakibatkan fenomena spring back yang lebih tinggi.

106


5.2 SaranUntuk penelitian selanjutnya, ada beberapa saran yang

dapat diperhatikan, yaitu:1. Melakukan eksperimen laser forming sesuai dengan

permodelan yang telah dilakukan.2. Melakukan penelitian lebih lanjut dengan menggun

kombinasi jalur aksial dan circumferential.3. Melakukan penelitian lebih lanjut mengenai pengaruh

panjang lintasan yang dilalui oleh sinar laser.4. Dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai pengaruh

ketebalan dan panjang pipa terhadap hasil laser forming


107

DAFTAR PUSTAKA

Hao, N., dan L. Li. 2003. “An analytical model for laser tubebending”. Applied Surface Science 208-209: 432-436

Hao, N., dan L. Li. 2003. “Finite element analysis of laser tubebending process”. Applied Surface Science 208-209:437-441

He, Yang, Li Heng, Zhang Zhiyoung, Zhan Mei, Liu Jing dan LiGuangjun. 2012. “Advances and Trends on Tube BendingForming Technologies”. Chinese Journal ofAeronautics 25: 1-12

Hsieh, Hsieh-Shen, dan Jehnming Lin. 2004. “Thermal-mechanical analysis on the transient deformation duringpulsed laser forming”. International Journal ofMachine Tools & Manufacture 44: 191-199

Hsieh, Hsieh-Shen, dan Jehnming Lin. 2005. “Study of thebuckling mechanism in laser tube forming”. Optics &Laser Technology 37: 402-409

Hsieh, Hsieh-Shen, dan Jehnming Lin. 2005. “Study of thebuckling mechanism in laser tube forming with axialpreloads”. International Journal of Machine Tools &Manufacture 45: 1368-1374

Incropera, F.P., dan D.P. Dewitt. 2002. Fundamentals of heatand mass transfer5th edition. New York: John Wiley &Sons, inc.

Jamil, M.S. Che, E.R. Imam Fauzi, C.S. Juinn, dan M.A. Sheikh.2015. “Laser bending of pre-stressed thin-walled nickelmicro-tubes”. Optics & Laser Technology 73: 105-117

108


Jung, Hyung-Chul. 2006. A Study on Laser Forming Processeswith Finite Element Analysis. Christchurch: Universityof Canterburry

Kyrsanidi, An.K, Th.B. Kermanidis, dan Sp.G. Pantelakis. 2000.“An analytical model for the prediction of distortioncaused by the laser forming process”. Journal ofMaterials Processing Technology 104: 94-102

Lee, Kun-Chou, dan Jehnming Lin. 2002. “Transient deformationof thin metal sheets during pulsed laser forming”. Optics& Laser Technology 34: 639-648

Maji, Kuntal, Ruchir Shukla, dan A.K. Nath. 2013. “Experimentalinvestigations and statistical analysis of pulsed laserbending of AISI 304 stainless steel sheet”. Optics &Laser Technology 49: 18-27

Menecek, Stanislav, Tomas Muzik, dan Michal Misek. 2012."Differences between laser and arc welding of HSSsteels" Physics Procedia 39 ( 2012 ) 67 – 74

Safdar, Shakeel, Lin Li, M.A. Sheikh, dan Zhu Liu. 2006. “Finiteelement simulation of laser tube bending: Effect ofscanning schemes on bending angle, distortions and stressdistribution”. Optics & Laser Technology 39: 1101-1110

Safdar, Shakeel, Lin Li, M.A. Sheikh, dan Zhu Liu. 2007. “TheEffect of Nonconventional Laser Beam Geometries onStress Distribution and Distortion in Laser Bending ofTubes”. Journal of Manufacturing Science andEngineering vol. 129 (6): 592-600

Shen, Hong, dan Frank Vollertsen. 2009. “Modelling of laserforming – An Review”. Computational MaterialScience 46: 834-840

109


Shi, Yongjun, Hong Shen, Zhenqiang Yao, dan Jun Hu. 2007.“Temperature gradient mechanism in laser forming ofthin plates”. Optics & Laser Technology 39: 858-863

Sonief, Arief. 2005. Diktat Metode Elemen Hingga. Malang:Universitas Brawijaya

Yanjin, Guan, Sun Sheng, Zhao Guoqun, dan Luan Yiguo. 2005.“Influence of material properties on the laser-formingprocess of sheet metals”. Journal of MaterialProcessing Technology 167: 124-131

Yilbas, B.S., dan S.S. Akhtar. 2014. “Laser bending of metalsheet and thermal stress analysis”. Optics & LaserTechnology 61: 34-44

Zhang, Jie, Peng Cheng, Wenwu Zhang, Michael Graham, JerryJones, Marshall Jones, dan Y. Lawrence Yao. 2006.“Effect of Scanning Schemes on Laser Tube Bending”.Journal of Manufacturing Science and Engineeringvol. 128 (2):20-33

Zhang, Lu, dan P. Michaleris. 2004. “Investigation ofLangrangian and Eulerian finite element methods formodelling the laser forming process”. Finite Element inAnalysis and Design 40: 383-405

110




111

BIOGRAFI PENULIS

Penulis bernama lengkap IdaBagus Putra dilahirkan di kotaJakarta pada tanggal 12 Juli 1994.Penulis merupakan anak pertamadari 2 bersaudara. Penulis telahmenempuh pendidikan formal mulaidari SD, SMP, dan SMA SantaLaurensia. Setelah lulus SMA padatahun 2012, penulis melanjutkan

studinya di Institut Teknologi Sepuluh NopemberSurabaya tepatnya Jurusan Teknik Material danMetalurgi Fakultas Teknologi Industri.

Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif diorganisasi Himpunan Mahasiswa Teknik Material(HMMT) FTI-ITS Surabaya sebagai staf departemenKeprofesian dan Kesejahteraan Mahasiswa HMMT-FTI ITS (2013-2014) dan staf departemenPengabdian Masyarakat Tim Pembina KerohanianHindu (2013-2014) kemudian di kepengurusanselanjutnya penulis menjabat sebagai staf ahlidepartemen Pengabdian Masyarakat TPKH ITS(2014-2015)

Pencapaian yang pernah diraih oleh penulissemasa kuliah di ITS adalah finalis NationalScientific Paper Competition (UI 2013),International Business Competition (ITS 2014),Program Mahasiswa Wirausaha ITS (BRI 2014) danBeasiswa Peningkatan Prestasi Akademik (ITS2015). Akhir kata bila ada kritik dan saran yangingin disampaikan bisa dikirim ke email penulis :[email protected]

112



TUGAS AKHIR – TL 141584 ANALISIS ELEMEN HINGGA PADA …

Documents

Transcript of TUGAS AKHIR – TL 141584 ANALISIS ELEMEN HINGGA PADA …