Aluminium Properties Post Welding

Aluminium properties post welding "Dirman Artib" Rekan milist yth, terutama para pakar pengelasan. Mohon pencerahan. Apakah fenomena pengelasan pada steel akan sama dengan fenomena pada Aluminium ? Apa saja properties aluminium berobah setelah welding ? Terutama kekuatan, apakah naik atau turun ?. Apa sajakah properties merugikan yg diperhatikan dalam mengelas aluminium ? Apakah fenomena internal stress, perobahan butir dll juga terjadi ? Bagaimana cara memperbaiki properties setelah welding ? Apakah fenomena crack juga kadang terjadi ? Seberapa potensial crack dibanding steel ? Apa saja parameter las penting yg harus dikontrol saat proses las berlangsung ?

ir_winarto Dear Pak D'Art, Sedikit saya ingin sharing mengenai beberapa pertanyaan Bapak yaitu sbb: 1.Apakah fenomena pengelasan pada steel akan sama dengan fenomena pada Aluminium ? Jawab : Fenomena keduanya hampir mirip mengingat keduanya adalah jenis logam (metal), steel dikatagorikan ferrous sedangkan aluminum adalah non-ferrous. Keduanya memiliki ikatan logam, struktur kristal atom steel umumnya BCC & FCC sedangkan aluminum umumnya FCC (face centre cubic). Melting pointnya cukup berbeda T-melt Steel sekitar 1530 deg. C, sedangkan Al sekitar 660 deg.C. Berat jenisnya juga berbeda : Density Steel = 7,8 sedangkan Al = 2,7. Sehingga dari keduanya memiliki fenomena pembekuan dari mulai dari fasa cair ke padatan yang sama untuk membentuk kampuh lasan (weld metal) yang mirip dengan struktur coran (casting). Namun untuk aluminum dari segi warna saat mencair dan membeku hampir tidak berubah, sedangkan pada baja ada perubahan warna dari kuning kemerahan menjadi gelap saat membeku dari fasa cair ke fasa padatan.

2. Apa saja properties aluminium berobah setelah welding ? Terutama kekuatan, apakah naik atau turun ?. Jawab: Sebelum aluminium di las, perlu diketahui bahwa klasifikasi aluminium ada 2 (dua) kelas: Kelas Aluminium yang dapat dikeraskan dengan perlakuan panas (Heat-treatable) seperti : Al kelas 2XXX, 6XXX dan 7XXX sedangkan kelas yang non-heat treatable seperti 1XXX, 3XXX dan 5XXX, untuk kelas ini hanya dapat dikeraskan dengan cara deformasi dingin (cold work). Untuk Al kelas 4XXX umumnya dipakai untuk kawat las dan untuk proses pengecoran (casting). Akibat proses welding, maka panas (heat)yang diberikan ke logam aluminum akan merubah struktur metalurgi aluminium terutama di "daerah terpengaruh panas" (HAZ). Misalnya untuk material yang heattereatable akan mengalami pelunakan atau disebut dengan overaging di HAZ, sedangkan untuk yang Non-heat treatable akan mengalami pengkasaran butir (grain growth). jadi daerah HAZ sangat sensitif di Aluminum. Dan oleh sebab itu perlakuan sebelum mengelas maupun pemilihan proses lasnya harus hati-hati, demikian juga pemilihan kawat lasnya akan menentukan sifat kekuatan (mechanical properties) dari sambungan las aluminum. Dengan teknologi yang kian maju, maka saat ini ada penyambungan aluminum dengan metoda "Friction Stir Welding" (FSW) yang ditemukan pada thn 1994 di Inggris (UK) banyak di aplikasikan dan terutama untuk penyambungan struktur pesawat tempur & tangki bahan bakar pesawat ruang angkasa, maupun struktur bangunan engineering lainnya (mobil, kapal laut dll). Proses ini memanfaatkan panas dari gaya friksi namun tidak terjadi peleburan (melting), sehingga kekuatannya hampir merata di setiap sambungan. 3. Apa sajakah properties merugikan yg diperhatikan dalam mengelas aluminium ? Jawab: seperti yang telah dijelaskan diatas, maka properties yang harus diperhatikan sbb: 1. Sifat Kekuatannya (Strength) 2. Sifat Keuletannya (ductility) 3. Kesamaan warnanya (Color match after anodizing) 4. Tendensi retak lasan (crack tendency) dari 4 hal diatas perlu memilih kawat las yang sesuai untuk pengelasannya. Hal lainnya adalah: kecenderungan adanya "porositas (porosity)" akibat gas hidrogen (H2) pada daerah kampuh lasannya (weld metal) dimana hal dapat dieliminir dengan menggunakan gas pelindung (shielding gas) yang baik (pure argon).

4.Apakah fenomena internal stress, perobahan butir dll juga terjadi ? Bagaimana cara memperbaiki properties setelah welding ? Jawab: Fenomena "internal stress" merupakan hal yang umum pada pengelasan dan hal ini harus diperhatikan mengingat "koefisien muai" dari aluminum ini hampir 2 kali dari muainya baja. Oleh sebab itu penggunaan "Jig/clamping" maupun urutan lasnya (untuk multi pass) perlu di perhatikan. Perubahan butir adalah pasti berubah baik untuk yang heat-treatable maupun yang non-heat treatable. Beberapa kawat las untuk aluminum umumnya ditambambahkan penghalus butir atau grain refining seperti titanium boron (TiB) dan zirconium (Zr). 5. Apakah fenomena crack juga kadang terjadi ? Seberapa potensial crack dibanding steel ? Jawab: Fenomena crack bisa terjadi terutama retak panas (hot cracking) dan ini perlu diperhatikan terutama dalam "kesesuaian" pemilihan kawat lasnya dimana beberapa unsur paduan sensitif (rentan) terhadap retak. Kalau dibandingkan dengan baja, potensinya lebih besar di aluminium mengingat koefisien muianya hampir 2 kali dari baja. 6.Apa saja parameter las penting yg harus dikontrol saat proses las berlangsung ? Jawab: Parameter penting dalam mengelas aluminium adalah: 1. Preparasi lasannya (before welding), terutama pembersihan permukaan aluminium yang di las dimana lapisan tipis aluminium oksida (Al2O3) yang memiliki temperatur lebur sekitar 2050 deg.Celcius dapat menyebabkan kegetasan di kampuh lasan (weld metal) apabila tidak dibersihkan. 2. Masukan panas (heat input) tertentu dan faktor parameter ini dipengaruhi oleh arus, tegangan dan kecepatan las. 3. Pemilihan Kawat las (mempengaruhi 4 faktor seperti dijelaskan diatas) 4. Gas pelindung harus baik terutama dalam melindungi masuknya gas hidrogen yang mengakibatkan porositas. 5. Metoda pemilihan proses pengelasannya umumnya untuk las aluminium banyak dipilih proses GTAW atau TIG yang menggunakan power AC dengan frekwensi tinggi. Beberapa literatur bisa di refer di alamat dibawah ini: Common Mistakes Made in the Design of Aluminum Weldments By Frank G. Armao, Senior Application Engineer, The Lincoln Electric Company, Cleveland, Ohio

http://www.lincolne lectric.com/ knowledge/ articles/ content/comistak es.asp Demikian penjelasan ini semoga bermanfaat. andryansyah rivai P.Winarto, pengalaman saya menunjukkan bahwa baik yang berkepala 6 ataupun 1, setelah pengelasan, pada HAZ akan mengalami pelunakan. Kalau dikatakan bahwa pada Al berkepala 1 akan mengalami pembesaran butir, apakah artinya mengalami pengerasan alias peningkatan kuat tarik? Percobaan yang pernah saya lakukan menunjukkan bahwa karena pengelasan selalu akan mengakibatkan hilangnya pengerasan karena deformasi dingin, maka pada Al berkepala 1, juga akan mengalami pelunakan. Artinya secara umum saya bisa mengatakan bahwa akibat pengelasan akan mengakibatkan pelunakan di HAZ. Hasil yang sebelumnya saya tidak duga itu (karena saya tidak punya dasar metalurgi yang baik), justru mengingatkan saya kepada filosofi pengelasan yang pernah saya tangkap dari pengajar asal Austria (maaf bila salah tangkap, maklum english saya kacau), yang mengatakan bahwa kita bisa saja mendesain lasan dengan asumsi bahwa lasan (logam las dan HAZ) adalah daerah yang paling lemah kekuatannya. Ini ditujukan bila kita ingin membatasi konsentrasi pemantauan pada konstruksi yang kita buat saat digunakan, yaitu pada daerah las saja. Mohon pengalaman saya itu diberi masukan. Terima kasih, ir_winarto Dear Pak Andry, Sebelumnya saya mengucapkan banyak terima kasih pada kolegakolega saya yang juga metallurgist yang banyak berkecimpung di dunia industri seperti Mas Abbie yang bergulat di industri petrokimia (pupuk) kaltim namun sekarang sedang menuntut ilmu di Korea untuk mendalami NDT, salam dari saya dan selamat menempuh ilmu di Busan - Korsel. Dan juga Mas Kiagus Hamzah di oil company di Riau dan Malaysia, salam dari saya di Depok. Masukan teman-teman kolega sangat berarti dalam menyebarkan & membangun ilmu pengetahuan bidang material dan metalurgi di milis migas ini.

Saya tergelitik dengan beberapa pertanyaan Mas Andry sbb: Kalau dikatakan bahwa pada Al berkepala 1 akan mengalami pembesaran butir, apakah artinya mengalami pengerasan alias peningkatan kuat tarik? Lalu Pertanyaan saya soal besar butir ini adalah, bukankah pada kristal tunggal (kristalnya besar sekali?), kekerasannya sangat tinggi? Pertanyaan lain adalah ttg laju pendinginan. Apakah pada pengelasan alumunium, bila pendinginannya bisa dibuat sangat cepat, bisa membuat pengerasan pada HAZ? Menurut literatur (seperti penjelasan Mas Kiagus Hamzah maupun Mas Abbie), memang benar bahwa "semakin besar butir akan semakin turun kekuatan-nya hal ini seperti dijelaskan dalam persamaan "HallPetch". jadi jelas bahwa semakin "besar butir" akan semakin "lunak" (terjadi pelunakan). Namun kita harus hati-hati apabila membandingkan "besar butir" tsb dengan material Kristal Tunggal (Single Crystal) yang umumnya ada pada paduan super (super alloy). Kenapa saya katakan ini, karena keduanya berbeda dalam kondisi aplikasi dilapangannya. Material jenis aluminum jarang dipakai untuk aplikasi diatas 200 deg. celcius, namun lebih banyak dipakai untuk aplikasi di temperatur ruang bahkan di dibawah nol atau "cryogenic". Kita bisa lihat, mengapa di mesin "frizzer' (kulkas) khususnya pada tempat pembuat es umumnya terbuat dari aluminum, bahkan kita bisa amati beberapa digunakan untuk wadah (tabung) nitrogen cair (dimana temperatur N2-cair sekitar -160 deg.celcius), dan juga bila kita lihat aplikasi yang lebih besar lagi seperti pada kubah (dome) untuk kapal cargo LNG (liquid natural gas) yang umumnya menggunakan jenis aluminum. Karena kekuatan material ini (terutama impact properties) sangat baik sekali pada temperatur rendah. Hal ini akibat stuktur kristal Aluminum yang FCC, seperti juga pada austenitic stainless steel dan Nikel steel. Sebaliknya material "sigle crystal" pada super-alloy umumnya dipakai pada temperatur tinggi sekitar 600 s/d 1200 deg. celcius, kita bisa amati pada baling-baling (blade) turbin pesawat terbang yang umumnya terbuat dari material ini. Jadi kesimpulannya, bila melihat "besar butir" harus dilihat kondisi temperaturnya, persamaan 'Hall-Petch" hanya valid untuk material temperatur rendah hingga sedikit dibawah temperatur rekristallisasi (~0.3-0.4 Temp. Melting material dalam Kelvin), dimana "dislokasi" (cacat kristal) lebih dominan berperan dalam proses pengerasan (strengthening), hal ini karena batas butir (grain boundary) merupakan penghambat (barier) dalam pergerakan dislokasi. Akibatnya semakin

banyak hambatan (batas butir) maka semakin sulit dislokasi untuk bergerak. Jadi untuk memperbayak batas butir, maka material harus di perhalus (diperkecil) butirnya. Namun sebaliknya diatas temperatur rekristalisasi seperti pada "single crystall", maka proses "diffusi" (perpindahan akibat beda konsentrasi atomic) lebih berperan dalam proses penguatan (strengthening). Batas butir pada kristal tunggal memiliki energy yang paling rendah dan merupakan tempat berkumpulnya cacat akibat "kekosongan atom"(vacancy)dan apabila atom kosong (vacancy) ini berkumpul melalui proses difusi maka akan membentuk suatu void (lubang kecil), dan selanjutnya void ini dapat meng-inisiasi terbentuknya retakan (crack) dibatas butir (grain boundary) akibat gaya statis (load) dari luar yang diberikan. Selanjutnya material akan mulur (creep) dan akhirnya patah. Oleh sebab itu, untuk mengatasi hal itu diusahakan batas butir sekecil (sedikit) mungkin dan ini hanya dapat diperoleh dengan cara memperbesar butir hingga membentuk "single crystal". Untuk masalah laju pendinginan, pada material Aluminum dan paduannya seperti contohnya Al-Cu di seri 2XXX, umumnya proses penguatan (strengthening) dilakukan melalui proses aging dimana material dipanaskan hingga temperatur 550 deg. C kemudian di celup (quench) secara cepat kedalam air sehingga membentuk Supersaturated-solid solution (larutan super kelewat jenuh) namun sifat material ini tidak optimum karena endapan (presipitat) yang terjadi berkumpul di batas butir, sehingga untuk menyebarkan presipitat di seluruh butir secara merata maka dilakukan proses "natural aging" atau "artificial aging" agar presipitat merata dan halus tersebar dibutir sehingga kekuatan dan kekerasannya meningkat. Dari penjelasan diatas pengaruh dan peran laju pendinginan tidak sepenuhnya berpengaruh pada ukuran butir malumunium dan paduannya, namun ada beberapa faktor lain (seperti endapan dan banyak lagi) yang mempengaruhinya. Dan mengingat koefisien muai aluminum hampir 2 x dari baja, pendinginan yang cepat terkadang menyebabkan efek lain seperti retak (crack) dan ini tidak disukai terutama pada proses pengelasan, pendinginan yang cepat tidak di rekomendasi. Demikian dan semoga penjelasan ini lebih dimengerti dalam melihat perubahan ukuran butir (besar butir) logam.

Kiagus Ismail Hamzah Mahbor

Dear Pak Rivai, Boleh saya sedikit tambahkan, dengan semakin besar butir, maka kekerasan dan kekuatan tarik logam akan semakin turun (rumus HallPetch), jadi apa yang bapak alami tersebut, theoritically memang seharusnya terjadi pelunakan di HAZ (dengan asumsi slow cooling rate).

andryansyah rivai Terima kasih untuk penjelasannya. Saya memang memberikan tanda tanya karena adanya kebingungan pada diri sendiri setelah mendapat penjelasan dari banyak 'guru'. Pertanyaan saya soal besar butir ini adalah, bukankah pada kristal tunggal (kristalnya besar sekali?), kekerasannya sangat tinggi? Pertanyaan lain adalah ttg laju pendinginan. Apakah pada pengelasan alumunium, bila pendinginannya bisa dibuat sangat cepat, bisa membuat pengerasan pada HAZ? Kalau memungkinkan, tolong dijelaskan dengan mudah, maklum dasar metalurgi saya sangat parah. Terimakasih untuk bantuannya. farabirazy albiruni Dear Pak Andry, Pada Logam, ada dua cara untuk meningkatkan kekuatan atau biasa di sebut strangthening mechanism ditinjau dari teori dislokasi. Yang pertama adalah memperbanyak hambatan dislokasi, dimana hambatannya bisa berupa batas butir (yang sebelumnya di tunjukkan dengan persamaan Hall-Petch), dengan strain hardening melalui penggandaan dislokasi, presipitasi fasa (banyak ditemui di paduan aluminium non heat-treatable dan juga micro alloy pada special steel), dan lainnya. Teknik yang kedua adalah dengan teknik single crystal seperti yang bapak sebutkan. Single crystal ini didasari pada teori logam sempurna dimana tidak terdapat cacat sama sekali (no dislocation) sehingga kekuatannya mendekati kekuatan teoritis ikatan atomnya. Mudah2an cukup jelas..

Kiagus Ismail Hamzah Mahbor Hall and Petch : that the grain size dependence of yield strength can be described by the equation sy= so+ k d-0,5 where length of a slip band, and that the maximum slip band length is determined by the grain size.K is a constant and d is the mean grain size, that the grain size dependence is related to the Large grains tend to allow a plastically deformed nucleus to grow more rapidly which leads to the more rapid formation of Lüders bands. As grain size increased the differences between the upper and lower yield strength would diminish.