ALIRAN PANAS PADA PROSES PENGELASAN
Sumber Energi / Panas
Pengelasan membutuhkan dua hal yang sangat penting yaitu
a Energi thermal (panas)
b Energi mekanik yang berupa tekanan.
Sumber energi panas didapatkan dari energi kimia (misalnya pembakaran gas dengan oksigen) dan energi listrik (misalnya busur listrik dan sinar intensitas tinggi).
Besarnya energi (Q) yang terkandung dalam sumber panas dinamakan tingkat energi (energy level) atau kapasitas energi (energy capacity).
Las oxy acytelene
Dimana
V acetylene = Debit aliran gas asetelin(l/h)
Panas pembakaran acetylene = 48 kJ/lt pada l atm dan 25oC
t = waktu dalam jam
Las busur listrik
E : Potensial listrik
I : Arus listrik
Kerapatan Energi dan Distribusi Energi
Kecepatan energi adalah besarnya energi yang berpindah/mengalir tiap satuan las permukaan kontak antara sumber panas dan logam induk. Kecepatan energi dinyatakan dalam satuan Watt/m2. Kecepatan energi sangat mempengaruhi kemampuan penetrasi seperti terlihat pada tabel dibawah ini
Tabel ; Pengaruh kecepatan energi pada kemampuan penetrasi
Process Heat Source Intensity (Wm-2) Condition Flux shielded arc welding Gas shielded arc welding Plasma Electron beam and laser 5 x 106 to 5 x 108 5 x 106 to 5 x 108 5 x 106 to 5 x 1010 1010 to 1012 Normal current High current Low current High current Defocused beam Focused beam
Distribusi energi di dalam sumber panas (nyala api, busur listrik, plasma, sinar electron dan laser) tidak merata, mencapai maksimum pada pusatnya dan berkurang pada jarak yang semakin jauh dengan pusatnya sehingga mempunyai distribusi Gauss (Gaussian distribution).
Heat Input
Masukan Panas
Masukan panas adalah besarnya energi panas tiap satuan panjang las ketika sumber panas (yang berupa nyala api, busur listrik, plasma atau cahaya energi tinggi bergerak).
Masukan Panas H = P/v = EI/vx
Dimana H = Masukan panas (J/mm)
P = Tenaga input (Watt)
v = Kecepatan pengelasan (mm/s)
E = Potensial listrik (volt)
I = Arus listrik (amper)
X = Faktor proses pengelasan
Proses las Harga X SAW 0.8 GMAW 1.0 MMAW 1.0 GTAW 1.2
Untuk las resistan H = I2R t
Dimana H = Masukan panas (J )
I = Arus listrik (Amper)
R = Tahanan listrik (ohm)
t = Waktu (detik)
Pada kenyataannya, perpindahan panas dari sumber panas ke benda kerja berjalan tidak sempurna ditandai dengan adanya panas yang hilang kelingkungan. Besarnya panas yang hilang ini menentukan effisiensi perpindahan panas :
H = hP/v = hEI/v
h = Effisiensi perpindahan panas
Nilai h besarnya antara 0 ÷ 1 (lihat table)
Tabel Effisiensi perpindahan panas
Process Transfer efficiency Oxy fuel gas Low combustion intensity fuel 0.25 ÷ 0.50 High combustion intensity fuel 0.50 ÷ 0.80 Gas tungsten arc Low current DCSP 0.40 ÷ 0.60 High current DCSP 0.60 ÷ 0.80 DCRP 0.20 ÷ 0.40 AC 0.20 ÷ 0.50 Plasma arc 0.70 ÷ 0.95 Gas metal arc Globular or short transfer 0.60 ÷ 0.75 Spray transfer 0.65 ÷ 0.85 Shielded metal or flux coated arc 0.65 ÷ 0.85 Submerged arc 0.85 ÷ 0.99 Electro slag 0.20 ÷ 0.50 Electron beam 0.70 ÷ 0.95 Laser beam 0.005 ÷0.75
Fungsi utama sumber panas pada las cair (fusion welding) adalah untuk mencairkan logam. Selanjutnya logam cair mempunyai dua fungsi, yaitu: (1) sebagai bahan pengisi (filler) pada bagian yang disambung sehingga terbentuk bahan yang kontinyu dan (2) membersihkan permukaan sambungan melalui reaksi kimia.
Jumlah total permukaan (AW )
Pakai filler (AW ) = Am + Ar
Tidak pakai filler (AW ) = Am
Panas yang dibutuhkan untuk mencairkan logam (Q)
Q = (TM + 273 )2 / 300 000
Tm = Titik cair logam
effisiensi cair adalah perbandingan antara energi teoritis yang diperlukan untuk mencairkan logam dibagi dengan masukan panas.
f = QAw / H
Effisiensi cair tergantung pada proses pengelasan, logam yang dilas (ketebalann , bentuk struktur )
Jenis-jenis Sambungan Las
Perpindahan panas tergantung pada ukuran dan bentuk konstruksi benda yang dilas. Selanjutnya mempelajari perpindahan panas, perlu diketahui dulu berbagai jenis sambungan yang biasa dipakai. Pemilihan sambungan las ditentukan oleh bentuk struktur dan sifat beban yang bekerja pada struktur tersebut seperti beban uniaxial, biaxial, statis, dinamis, tarik, tekan, geser atau torsi. Selain itu faktor biaya, jenis proses pengelasan dan perawatan pelu juga diperhatikan.
Pada prinsipnya ada 5 sambungan las yaitu ;
1. Butt joint (sambungan tumpul)
2. Corner joint (sambungan sudut)
1. Edge joint (sambungan sisi)
2. lap joint (sabungan tumpang)
3. Tee joint (sambungan T).
Pada sambungan tumpul, permukaan yang disambung berupa (a) sambungan persegi (square) yang tidak membutuhkan elektrode pengumpan (filler) seperti GTAW dan EBW dan (b) sambungan V yang membutuhkan lgam pengisi seperti MMAW, GAW, dan SAW.
Logam las dapat juga diklasifikasikan berdasarkan type penetrasi dan bentuk sambungan, yaitu :
- Penetrasi penuh (full penetration) : ketebalan las sama dengan logam induk
- Penetrasi sebgaian (partial penetration) ; ketebalan las lebih kecil logam induk
- Continous weld ( las kontinyu) : jika las dilakukan secara kontinyu
- Internittent welds : pengelasan diselingi dengan berhenti pada jarak tertentu dan terdapat gap / jarak antara las satu dengan lainnya.
Perpindahan Panas
Aliran panas atau perpindahan panas ada proses pengelasan sangat menentukan kualitas las karena aliran panas mempengaruhi struktur mikro, reaksi oksidasi / reduksi, tegangan sisa dan distorsi.
Perpindahan panas pad alas terjadi secara konduksi, dan sebagian kecil terjadi secara konveksi dan radiasi. Konveksi dan radiasi dapat diabaikan.
Luas daerah yang mengalami pemanasan tegantung pada beberapa hal, diantaranya:
- Peningkatan kecepatan v pada panas masukan q constant menyebabkan daerah yang tepengaruh panas menjadi mengecil dimana garis-garis isothermis menyempit pada arah tegak lurus arah las dan memendek pada arah pengelasan
- Kenaikan panas masukan q pada kecepatan v constant memperluas daerah terpengaruh panas dimana garis-garis isothermis melebar pada arah tegak lurus las dan memanjang pada arah las.
- Kenaikan masukan panas q dan kecepatan v pada harga masukan panas (q/v) constant memperluas daerah terpengaruh panas sebanding dengan panas masukan dan kecepatan.
4. Kenaikan suhu preheat T0 pada masukan panas dan kecepatan constant memperluas daerah terpengaruh panas.
5. Konduktivitas themal (k ) sangat mempengaruhi daerah terpengaruh panas. Jika nilai k kecil panas masukan (q) yang diperlukan saat pengelasan kecil. Sebagai akibatnya baja tahan karat austenit Cr-Ni (austhenitic stainless steel) dapat dilas dengan masukan panas yang kecil sedangkan alumunium (Al) dan tembaga (Cu) membutuhkan masukan panas yang besar.
Siklus Thermal
Pada proses pengelasan, kecepatan busur listrik (sumber panas) lebih besar dari kecepatan perpindahan panas. Kecepatan aliran panas searah dengan gerakan busur listrik. Dengan demikian daerah di sekitar las mengalami siklus thermal berupa pemanasan sampai suhu maksimum tercapai kemudian diikuti dengan pendinginan.
Besar suhu maksimum :
dimana :
Tp = Suhu maksimum (K)
To = Suhu awal las (K)
e = bilangan natural
r = massa jenis ( g/mm2+)
c = Panas jenis logam induk ( J/gK)
h = Tebal logam induk (mm)
y = batas las (Tp=To)
Tm= Suhu cair logam induk (k)
Hnet= Masukan panas
Kecepatan pendinginan
Struktur micro pada logam las dan HAZ dipengaruhi oleh kecepatan pendinginan , hal in disebabkan kerana proses pembekuan logam cair (solidification) dan tranformasi fasa sangat sensitive terhadap kecepatan pendinginan.
CR = cooling rate
k = Konduktivitas thermal
Tp = temperature akhir
To = temperature awal
Hnet = hEI
