Sulardjaka, dkk. / ROTASI, Vol. 21  No. 2  (April  2019) Hal. 96-101
Pengaruh Kecepatan Rotasi Pahat dan Kecepatan Pengelasan terhadap Sifat Mekanis Hasil Pengelasan Friction Stir Logam Tak Sejenis Aluminium 5052 H3 dan Tembaga
Sulardjaka * , Deni Fajar Fitriyana, Ayus Dios Bawono Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH., Tembalang-Semarang 50275, Telp. +62247460059 *e-mail: sulardjaka@undip.ac.id

## Abstract
The  effect  of  rotational  tool  shoulder  and  welding  speed,  on  mechanical  properties  of  friction  stir welding (FSW) of AA 5052 H3 and pure copper have been investigated. The CNC milling machine was used  for  FSW  processes.  Tool  shoulder  of  FSW  processes  made  from  quenched  hardened  H13  steel with  cone  pin.  The  FSW  were  done  on  variation  tool  rotations:  2850  rpm,  3000  rpm  and  3150  rpm. Welding  speed  of  FSW  were  100  mm  /  min  and  120  mm  /  min.  The  result  shows  that  welding  at parameter 3000 rpm tool rotation and 100 mm/minute has highest tensile strength (223 MPa).
Keywords: friction stir welding, aluminium, copper, dissimilar

## Abstrak
Tujuan  penelitian  ini  meneliti  pengaruh  variasi  kecepatan  rotasi  pahat  dan  kecepatan  pengelasan, terhadap  sifat  mekanis  pengelasan  FSW  AA  5052  H3  dengan  tembaga.  Pengelasan  FSW  dilakukan dengan  menggunakan  mesin milling CNC. Tool  shoulder dibuat  dengan  baja  H13  yang  dikeraskan dengan  metode quench hardening dengan pin  berbentuk  kerucut. Pengelasan  FSW dilakukan dengan variasi rotasi pahat: 2850 rpm, 3000 rpm, dan 3150 rpm, Kecepatan pengelasan FSW: 100 mm/min dan 120 mm/min. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekuatan tarik tertinggi dihasilkan pada pengelasan dengan  kecepatan  putaran  3000  rpm  dan  dengan  kecepatan  pengelasan  100  mm/menit  yaitu  sebesar 223 MPa.
Kata kunci: friction stir welding , aluminium, tembaga, logam tak sejenis

## 1. Pendahuluan
Friction  stir  welding (FSW)  adalah  proses  penggabungan  material  yang  termasuk  dalam  kelompok  pengelasan fasa padat ( solid state ).  Proses  ini  memanfaatkan deformasi pada suhu tinggi.  FSW  menghasilkan  sambungan  dengan hasil pengelasan yang menguntungkan. Pada FSW, daerah logam las dan daerah terkena pengaruh panas ( heat affected zone/HAZ )  tidak  terpengaruh  seperti  pada  pengelasan  listrik  konvensional [1].  Material  logam  yang  dilas  dengan metode  FSW,  mendapatkan  panas  dari  gesekan shoulder .  Efek  panas  ini  yang  mengakibatkan  pergerakan  dari  butir- butir  pada  kedua  bagian  yang  dilas,  berpindah  dan  mengalami  pengadukan. Daerah  yang  dipengaruhi  panas  tersebut dapat dibagi menjadi beberapa daerah.  Daerah hasil pengelasan FSW diklasifikasikan menjadi 4 bagian yaitu: welding nugget,  thermomechanincally  affected  zone,  heat  affected  zone dan base  metal [2].  FSW  banyak  diteliti  untuk digunakan pada pengelasan paduan aluminium, paduan tembaga, paduan magnesium, paduan titanium, baja tahan karat dan komposit matriks logam (MMC) [3].
Pengelasan  fasa padat FSW  memungkinkan untuk digunakan pada pengelasan material logam yang tidak sejenis. Metode  FSW  telah  berhasil  digunakan  untuk  mengelas  material  aluminum  dan  magnesium.  Penelitian  tersebut menunjukkan bahwa FSW dapat digunakan untuk menyambung material dengan perbedaan titik leleh cukup tinggi [4]. Penyambungan  dengan  metode  FSW  untuk  menyambung  material  tidak sejenis antara  logam aluminium dan tembaga juga telah mulai diteliti.  FSW telah berhasil digunakan untuk menyambung material aluminium dengan tembaga yang di-anil dan  menghasilkan kekuatan tarik hingga 148 Mpa [5-7]. Pengelasan logam tak sejenis aluminium dan tembaga masih  memiliki  banyak  masalah  yang  harus  dipecahkan  yaitu  masih  ditemuinya  retak,  lubang  atau  cacat  pada sambungan  sehingga  sifat  mekanis sambungan  masih rendah  [8, 9]. Permasalahan pada pengelasan  logam tak sejenis aluminium  dan  tembaga  adalah  adanya void pada  daerah  sambungan, tunnel  defect ,  ketidaksempurnaan  penetrasi (percampuran)  antara  logam  aluminium  dan  tembaga  serta  terbentuknya  campuran  antar  logam  ( intermetallic compounds/IMCs ) yang bersifat keras dan getas pada stir zone . Terbentuknya IMCs mengakibatkan timbulnya retak dan menurunnya kekuatan sambungan [9 -13].
Pada penelitian ini, diteliti pengaruh kecepatan putaran tool shoulder dan kecepatan pengelasan terhadap kekuatan tarik dan distribusi kekerasan pada hasil pengelasan FSW antara logam paduan aluminium 5052 H3 dengan tembaga.

## 2. Material dan metode penelitian
Bahan yang diteliti adalah plat aluminium paduan 5052 H3 dan plat tembaga murni dengan ukuran 200 x 100 mm dengan ketebalan 3 mm. Material untuk bahan tool shoulder adalah baja H13 ( hot work steel ). Tool shoulder dikeraskan dengan perlakuan quench hardening kemudian ditemper. Diameter shoulder 20 mm, sedangkan pin  berbentuk kerucut dengan  diameter  dasar  4,5  mm  dan  diameter  ujung  0,2  mm.  Gambar  dimensi tool  shoulder untuk  pengelasan  FSW ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Proses  pengelasan  FSW  dilakukan  dengan  mesin milling  CNC . Pengelasan  dilakukan dengan  variasi  kecepatan  rotasi  pahat:  2850  rpm,  3000  rpm,  dan  3150  rpm.  Parameter  kecepatan  pengelasan:  100 mm/min dan 120 mm/min.

## Gambar 1. Dimensi Tool Shoulder untuk FSW
Pengujian mekanis yang dilakukan adalah pengujian kekerasan mikro, pengujian tarik. Pengujian kekerasan mikro dilakukan  dengan  menggunakan  mesin  uji  kekerasan  mikro  Vickers.  Uji  kekerasan  dilakukan  dengan  mengacu  pada standarisasi  ASTM  E  384  –  99.  Pengujian  kekerasan  mikro  dilakukan  dari  bagian  tengah  sambungan  (titik  nol)  ke bagian  logam  aluminium  dan  tembaga  dengan  interval  tiap  0,5  mm. Pengambilan  data  kekerasan  dari  bagian  tengah welding nugget 5 mm menuju arah aluminium dan arah tembaga. Pengujian dilakukan pada daerah weld nugget, TMAZ, HAZ , dan base metal .  Secara skematik pengambilan titik pengujian kekerasan ditunjukkan pada  Gambar 2. Pengujian tarik  dilakukan  dengan  mesin  uji  tarik universal  testing  machine ,  berdasarkan  standarisasi  ASTM  E  8  –  99.  Foto spesimen uji tarik ditunjukkan pada Gambar 3.
x x x x x x x x aluminum tembaga titik pengujian
Gambar 2. Pengujian Kekerasan Mikro Hasil Pengelasan FSW
Gambar 3. Foto Spesimen Uji Tarik

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil  uji  tarik  pada  sambungan  pengelasan  FSW  ditunjukkan  pada  Gambar  4.  Nilai  kekuatan  tarik  sambungan FSW  yang  tertinggi  sebesar  223  MPa.  Nilai  kekuatan  tarik  ini  mencapai  75  –  80  %  dari  kekuatan  material  dasarnya. Kekuatan tarik sambungan tertinggi didapat dari  pengelasan FSW dengan parameter kecepatan rotasi pahat 3000 dan kecepatan pengelasan 100  mm/min.  Pada parameter pengelasan  ini  juga didapat nilai elongasi tertinggi,  yaitu sebesar 6,4%. Pengelasan FSW dengan parameter pengelasan yang lain tidak memberikan hasil kekuatan pengelasan yang baik. Hal  ini  bisa  disebabkan  hasil  pengelasan  tidak  tebentuk welding  nugget pada  daerah  sambungan  dari  kedua  material (Gambar 7 dan 8).
Gambar 4. Grafik Kekuatan Uji Tarik Hasil Pengelasan dan Raw Material
Gambar 5. Grafik % Elongasi Hasil Pengelasan dan Raw Material
Gambar 4 dan 5 menunjukkan bahwa dari hasil pengujian tarik hasil pengelasan FSW. Dari grafik pada gambar tersebut dapat disimpulkan  bahwa, pada putaran pahat  yang sama,  nilai  kekuatan tarik  pada kecepatan 100  mm/menit lebih  tinggi  jika  dibandingkan  dengan  pengelasan  pada  kecepatan  120  mm/menit.  Pengelasan  pada  kecepatan  100 mm/menit  juga  memberikan  %  elongasi  yang  lebih  tinggi  jika  dibadingkan  dengan  pengelasan  pada  kecepatan  120 mm/menit.  Hasil  ini  disebabkan  pada  kecepatan  pengelasan  yang  rendah  pergerakan  butir  material  lebih  baik dibandingkan pada kecepatan pengelasan yang lebih tinggi [8, 12, 14]. Pengelasan dengan kecepatan yang rendah, juga mengakibatkan pembangkitan panas yang lebih tinggi pada material yang dilas [6,15].
Gambar  6  menunjukkan  distribusi  dari  kekerasan  hasil  pengelasan  FSW.  Pada  area weld    nugget didapat  nilai kekerasan  rata-rata  107  HV  untuk  variasi  kecepatan  pengelasan  120  mm/min,  dan  104,5  HV  untuk  variasi  kecepatan pengelasan  100  mm/min.  Nilai  rata-rata  kekerasan  pada  TMAZ  yang  didapat  pada  daerah  tembaga  dan  aluminium berturut-urut adalah 114,3 HV dan 87,2 HV pada variasi kecepatan pengelasan 120  mm/min, sedangkan pada  variasi kecepatan  pengelasan  100  mm/min  nilai  rata-ratanya  adalah  108,86  HV  dan  88,36  HV  pada  bagian  tembaga  dan aluminium berturut-urut. Pada bagian base metal , aluminium memiliki kekerasan sebesar 78 HV dan tembaga 115 HV. Pada pengelasan dengan parameter kecepatan rotasi 3000 rpm, dengan pengambilan data dari weld nugget pada bagian titik  nol  dan  5  mm  menuju  arah  aluminium  dan  arah  tembaga.  Pengujian  dilakukan  pada  area weld  nugget, TMAZ, HAZ,  dan base  metal .  Pada  area weld    nugget memiliki  nilai  kekerasan  rata-rata  108,6  HV  untuk  variasi  kecepatan pengelasan  120  mm/min,  dan  107,6  HV  untuk  variasi  kecepatan  pengelasan  100  mm/min.  Nilai  rata-rata  kekerasan pada TMAZ yang didapat pada daerah tembaga dan aluminium berturut-urut adalah 115,1 HV dan 99,4 HV pada variasi kecepatan pengelasan 120mm/min, sedangkan pada variasi kecepatan pengelasan 100 mm/min nilai rata-ratanya adalah 111  HV  dan  91,03  HV  pada  bagian  tembaga  dan  aluminium  berturut-urut.  Hasil  pengelasan  dengan  kecepatan  rotasi 2850  rpm.  Pada  area welding    nugget didapat  nilai  kekerasan  121,3  HV  untuk  variasi  kecepatan  pengelasan  120 mm/min, dan 129,2 HV untuk variasi kecepatan pengelasan 100 mm/min. Nilai rata-rata kekerasan pada TMAZ yang didapat  pada  daerah  tembaga  dan  aluminium  berturut-urut  adalah  116,1  HV  dan  98,7  HV  pada  variasi  kecepatan pengelasan 120mm/min, sedangkan pada variasi kecepatan pengelasan 100 mm/min nilai rata-ratanya adalah 116,1 HV dan 88,5 HV pada bagian tembaga dan aluminium berturut-urut.
Terjadi peningkatan nilai kekerasan pada bagian weld nugget dikarenakan terjadi percampuran antara kedua belah pihak dan pembentukan butir. Semakin rendah kecepatan rotasi maka semakin tinggi nilai kekerasan yang akan didapat, akibat  deformasi  plastis  material  yang  lebih  tinggi  [16].  Peningkatan  kekerasan  yang  tinggi  pada  daerah weld  nugget
Sulardjaka, dkk. / ROTASI, Vol. 21  No. 2  (April  2019) Hal. 96-101
diakibatkan  oleh  terbetuknya  campuran  antar  logam  ( intermetallic  compounds/IMCs )  yang  bersifat  keras  dan  getas [11,12].

## Gambar 6. Grafik Distribusi Kekerasan Hasil Pengelasan FSW
Pada Gambar 7 dan 8 menunjukkan foto makrografi FSW dengan putaran 2850 dan 3150 rpm dan kecepatan 100 mm/menit dan 120 mm/menit. Pada pengelasan dengan kecepatan rotasi pahat 2850 dan 3150 didapat hasil pengelasan yang kurang sempurna.  Logam  aluminium dan tembaga tidak tercampur. Hasil  ini dikarenakan kecepatan pengelasan yang tinggi, menagkibatkan kurangnya heat generation sehingga material tidak tersambung sempurna [10].
(a)
(b)
Gambar 7. Foto makro dengan variasi kecepatan putar 2850 rpm
(a) kecepatan pengelasan 100 mm/min dan (b) kecepatan pengelasan 120 mm/min
(a) (b)
Gambar 8. Foto makro dengan variasi kecepatan putar 3150 rpm (a) kecepatan pengelasan 100 mm/min dan (b) kecepatan pengelasan 120 mm/min
Gambar 9. Foto Makro Hasil Pengelasan FSW pada Kecepatan 100 mm/menit dan Rotasi 3000 rpm
Gambar 10. Foto Makro Hasil Pengelasan FSW pada Kecepatan 100 mm/menit dan Rotasi 3000 rpm
Gambar 9 menunjukkan foto makro hasil pengelasan dengan parameter kecepatan 100 mm/menit dan rotasi 3000 rpm.  Dibanding  dengan  foto  makro  pada  Gambar  7  dan  8  pengelasan  pada  parameter  ini  memberikan  hasil  kualitas sambungan  yang  lebih  baik.  Hal  ini  juga  didukung  dengan  hasil  dari  uji  tarik  yang  memberikan  nilai  kekuatan  lebih tinggi.  Foto  struktur  mikro  dari  hasil  pengelasan  seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  10  menunjukkan  bahwa  terjadi perpindahan  atau  aliran  material  logam  aluminium  dan  tembaga  sehingga  menghasilkan  kekuatan  yang  sambungan yang cukup baik.

## 4. Kesimpulan
Hasil pengelasan dengan parameter kecepatan rotasi pahat 2850 rpm dan 3150 rpm dan kecepatan pengelasan 100 mm/min  dan  120  mm/min,  menggunakan  geometri tool berbentuk tapered atau  kerucut,  dengan  menggunakan offset pengelasan  pada  sisi  tembaga  ini  tidak  terbentuk welding  nugget pada  area  penggabungan  kedua  material . Hal  ini diketahui dari pengujian makrografi yang menunjukkan hasil pengelasan tidak memiliki area pengadukan, dan rata-rata memiliki celah di  bagian welding nugget atau stir zone . Nilai  kekuatan sambungan tertinggi  didapat pada pengelasan FSW  dengan  kecepatan  pengelasan  100  mm/menit  dan  kecepatan  putaran  3000  rpm.  Pengelasan  pada  parameter  ini menghasilkan kekuatan tarik sebesar 223 Mpa atau mencapai 75 – 80 % dari kekuatan material dasarnya.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Direktorat  Riset  dan  Pengabdian  Masyarakat  Direktorat  Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan Kementerian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi yang telah memberikan dana penelitian  ini  melalui  skema  penelitian  PDUPT.  Berdasarkan  Surat  Tugas  No:  101-32/UN7.P4.3/PP/2018  tanggal:  5 Februari 2018.

## Daftar Pustaka
[1]  Sanderson, S., dan Nelson, T.W., 2011, “Effect of Processing Parameter on Friction Stir Welded HSLA-65 Charpy V Notch Impact Toughness,” Proceedings of the TMS 2011 Annual Meeting & Exhibition. California, USA.
[2]   Shinde,  G.,  Gajghate,  S.,  Dabeer,  P.S.,  Seemikeri,  C.Y.,  2016,  “Low  Cost  Friction  Stir  Welding:  A  Review,” Materials Today: Proceedings 4 : 8901–8910.
[3]   Yamamura,  K.,  Torikai,  K.,  Nishimura,  T.,  2011,  “Mechanical  Interlock  of  Thin  Metallic  Using  Friction  Stir Forming,” Proceedings of the TMS 2011 Annual Meeting & Exhibition. California, USA.
[4]   Mohammadi,J.,  Behnamian, Y., Mostafaei,  A., Izadi, H.,  Saeid, T., Kokabi,  A.H., Gerlich,  A.P.,  2015, “Friction stir welding joint of dissimilar materials between AZ31B magnesium and 6061 aluminum alloys:  Microstructure studies and mechanical characterizations,” Materials Characterization 101: 189–207
[5]   Carlone,  P.,  Astarita,A.,  Palazzo,  G.S.,  Paradiso,V.,  Squillace,A.,  2015,”  Microstructural  aspects  in  Al–Cu dissimilar  joining  by  FSW,” The  International  Journal  of  Advanced  Manufacturing  Technology,  79(5-8) :1109– 1116.
[6]  Wei  Zhang,  Yifu Shen, Yinfei  Yan, Rui  Guo,  2017, “Dissimilar  friction stir welding of 6061  Al to T2 pure Cu adopting  toothshaped  joint  configuration:  Microstructure  and  mechanical  properties,” Materials  Science  & Engineering A 690 : 355–364.
[7]  Jingqing Zhang, Yifu Shen, Xin Yao, Haisheng Xu, Bo Li, 2014, “Investigation on dissimilar underwater friction stir lap welding of 6061-T6 aluminum alloy to pure copper,” Materials and Design 64 : 74–80.
[8]   Sulardjaka dan Umam, R.S., 2017, “Pengaruh Kecepatan Putaran Pahat Terhadap Struktur Mikro dan Kekerasan Mikro  Pada  Hasil  Pengelasan  FSW  Logam  Tak  Sejenis  Aluminium  dan  Tembaga,” Prosiding  SNTTM  16 , Surabaya
[9]   Mehta, K.P., dan Badheka, V.J., 2016,  “Effects of tool tilt angle on properties of dissimilar  friction stir welding copper to aluminum,” Materials and Manufacturing Processes 31(3) : 233-254.
[10]  Savolainen, K. 2012,  “Friction stir welding  of copper and  microstructure and properties of the welds,” Helsinki, Aalto University (PhD thesis), Finland.
[11]  Mehta,  K.,  dan  Badheka,  V.,  2014,  “Investigations  on  friction  stir  welding  defects  for  dissimilar  copper  to aluminum materials under different process parameters,” In Proceedings of International Conference on Friction based Processes (ICFP-2014), IISc, Bangalore, India.
[12]  Esmaeili,  A., Besharati Givi, M.K., Zareie Rajani, H.R., 2012,  “Experimental  investigation of  material  flow  and welding defects  in  friction stir welding of aluminum to brass,” Materials and Manufacturing  Processes ,  vol: 27 (12): 1402–1408.
[13] Mubiayi, M.P. dan Akinlabi, E.T., 2013, “Friction stir welding of materials between aluminum alloys and copper- An overview,” In Proceedings of the World Congress on Engineering , London, UK, July 2013: 978–988.
[14]  Tan,  C.W.,  Jiang,  Z.G.,  Li,  L.Q.,  Chen,  Y.B.,  Chen,  X.Y.,  2013,  “Microstructural  evolution  and  mechanical properties of dissimilar Al-Cu joints produced by friction stir welding,” Materials and Design : 466-473.
[15]  Dwivedi,  D.  K.,  2010,  “Adhesive  wear  behaviour  of  cast  aluminium–silicon  alloys:  overview,” Materials  & Design, 31(5): 2517-2531
[16]  Liu,  H.J.,  Shen,  J.J.,  Zhou,  L.,  Zhao,  Y.Q.,  Liu,  C.,  Kuang,  L.Y.,  2011,  “Microstructural  characterisation  and mechanical  properties  of  friction  stir  welded  joints  of  aluminium  alloy  to  copper,” Science  and  Technology  of Welding & Joining , 16: 92-98.