Analisis variasi arus pengelasan Submerged Arc Welding pada proses build-up beam material SM490YA terhadap perubahan distorsi menggunakan metode eksperimen

## dan numerik
Rega Kurniawan, Muhamad Ari * , Dika Anggara
Program Studi D4 Teknik Pengelasan, Jurusan Teknik Bangunan Kapal, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Surabaya, 60111, Indonesia
* Corresponding author : m.ari@ppns.ac.id

## Abstrak
Proses Pengelasan SAW ( Submerged Arc Welding ) dengan arus besar secara kontinyu mengakibatkan panas yang masuk juga secara kontinyu pada satu titik. Hal ini mengakibatkan ekspansi yang signifikan jika terkena panas dan penyusutan  jika  mengalami  pendinginan  dan  distorsi  pada  material.  Pada  penelitian  ini,  eksperimen  dilakukan dengan variasi arus las. Pemodelan numerik struktural – termal dilakukan dengan software berbasis elemen hingga, dengan menggunakan data dari eksperimen sebagai validasi. Distrosi yang terjadi pada eksperimen dan pemodelan mendapatkan  hasil  yang  mendekati.  Distorsi  sudut  yang  paling  minimum  pada  eksperimen  pengelasan  SAW Single 450A sebesar 1,0˚ dan 1,2˚, sedangkan pada pemodelan numerik sebesar 1,15 ˚.
Kata kunci: Distorsi, Eksperimen, Struktural, Termal, Variasi Arus.
Analysis of variations in welding current of Submerged Arc Welding in the process of building-up beam material SM490YA against distortion changes using experimental and

## numerical methods

## Abstrack
The  large  current  in  submerged  arc  welding  causes  heat  to  enter  continuously  at  one  point.  This  results  in significant expansion on exposure to heat, and shrinkage on cooling and distortion of the material. In this study, experiments  were  carried  out  with  variations  in  welding  current.  Structural-thermal  numerical  modeling  was carried out using finite element-based software, using experimental data as validation. Distortions that occur in the experiment  and modeling get close results. The minimum angle distortion in the SAW Single 450A welding experiment is 1.0˚ and 1.2˚, while the numerical modeling is 1.15.
Keyword: Current Variation, Distortion, Experiment, Structural, Thermal.

## 1. Pendahuluan
Teknologi  pengelesan  merupakan  salah  satu bagian  yang  tidak  dapat  dipisahkan  dalam  dunia manufacture , engineering , contruction , dan fabrication .  Pengelasan  banyak  digunakan  pada dunia  industri  seperti  maritim, steel  structure , maintance ,  dan  hampir  disemua  industri  besar. Adapun salah satu perusahan yang bergerak dibidang kontruksi  dan  fabrikasi  adalah  PT.  Korindo  Heavy Industry.  Perusahaan tersebut dituntut untuk menghasilkan produk dengan kualitas yang bagus dan sesuai dengan permintaan oleh Owner serta mengacu pada standart internasional yang sudah ditetapkan.
PT.  Korindo  Heavy  Industry  saat  ini  sedang mengerjakan  proyek Pipe  Rack RDMP  JO Balikpapan yang bekerja sama dengan PT. Rekayasa Industry (REKIND). Pada proses pengerjaan proyek ini,  PT.  Korindo  Heavy  Industy  sebagai fabricator dimana  memproduksi  sendiri build-up  beam yang akan  digunakan  pada  proyek  tersebut.  Proses pengerjaan build-up  beam menggunakan  material SM490YA dan menggunakan poses pengelasan SAW ( Submerged Arc Welding ).
Pengelasan build-up  beam dengan  proses  SAW sering terjadi permasalahan yang biasanya disebabkan karena bagian logam yang dilas menerima panas  pengelasan  local.  Selama  prosesnya  material menerima  panas  tinggi  secara  kontinyu  pada  satu titik,  sehingga  panas  tidak  dapat  menyebar  secara cepat  dan  menjadikan  temperaturnya  tidak  merata. Akibat  panas  yang  tidak  merata,  maka  pada  bagian yang  dilas  terjadi  pengembangan  termal  sedangkan bagian yang tidak berubah terbentuk penghalang pada pengembangan termal yang mengakibatkan terjadinya  peregangan  kompleks.  Apabila  tidak dihindari, peregangan ini akan menyebabkan  terjadinya  perubahan  bentuk  yang ditimbulkan  akibat  distribusi  panas  tidak  merata. Sehingga  dalam  pengelasan bulid-up  beam pada flange mengalami  deformasi  yang  berbentuk  seperti gelombang.  Selain  itu,  arah  dan  urutan  pengelasan yang  tidak  sesuai  dengan  aturan  serta  proses pengelasan sering diabaikan menjadi akibat kurangnya pemahaman mengenai kekuatan sambungan dari juru las.
Adanya pengaruh heat input pada material yang sangat  signifikan  terhadap  kualitas  hasil  lasan[1], maka dalam studi ini akan dilakukan analisis distorsi terhadap material hasil pengelasan. Pada  analisis ini akan meneliti pengaruh pengelasan SAW Single dan SAW Tandem posisi 1F dengan jenis sambungan T - joint terhadap  perubahan  distorsi  pada  material SM490YA  menggunakan  perbedaan  variabel  arus. Selanjutnya,  hasil  nilai  yang  didapatkan  akan digunakan untuk perbandingan dengan menggunakan pemodelan numerik
Dalam  penelitian  yang  dilakukan  oleh  [2], Proses pengelasan busur terendam dua kawat tandem (SAW-T)  adalah  varian  deposisi  tinggi  dari  proses pengelasan busur terendam kawat tunggal konvensional (SAW). Dalam proses (SAW-T), kabel utama terhubung ke DC atau AC, dan kabel tambahan ke  AC.  Secara  umum,  arus  busur leading sangat mempengaruhi  penetrasi  las  sedangkan  lebar  manik las dan tinggi manik las sensitif terhadap arus busur trailing .  Kedua  elektroda  biasanya  berjarak  20  mm terpisah  sehingga  elektroda  kedua  masuk  ke  bagian belakang kolam las [3].
Energi yang dihasilkan dalam operasi pengelasan  berasal  dari  bermacam-macam  sumber yang  tergantung  pada  proses  pengelasannya.  Energi panas ini sebenarnya hasil kolaborasi dari parameter arus  las,  tegangan  las,  dan  kecepatan  pengelasan. Parameter  ketiga  yaitu  kecepatan  pengelasan  ikut mempengaruhi  energi  pengelasan  karena  proses pemanasannya  tidak  diam  ditempat  akan  tetapi bergerak  dengan  kecepatan  tertentu[4].  Semakin besar  arus  las  maka  semakin  besar  juga  dilusi  yang artinya  semakin  banyak  bagian  logam  induk  yang mencair [5].
Perubahan  yang  terjadi  pada  material  dapat berupa  pemuaian  maupun  pengkerutan.  Apabila perubahan  struktur  dari  material  teratur,  maka perubahan  dimensi  secara  umum  juga  teratur  [6]. Penelitian  yang  dilakukan  oleh  [7],  material  yang menerima beban panas yang tinggi terdistribusi tidak merata.  Daerah  tertentu  yang  mendapat  panas  lebih tinggi akan berekspansi, sedangkan bagian lain akan terkompresi.  Pada  waktu  selanjutnya  akan  terjadi “tarik  menarik”  pada  material  tersebut  yang  pada akhirnya terjadi distorsi.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengukur besarnya pengaruh distorsi angular yang ditimbuilkan pada  proses  pengelasan  SAW  Single  dan  Tandem dengan variasi arus yang berbeda. Lebih lanjut untuk mencari  nilai  distorsi  terendah  dalam  permasalahan sebenarnya  dengan  parameter-parameter  yang  telah ditentukan sebelumnya. Pada dasarnya penelitian ini untuk mencegah atau merencanakan hasil yang lebih efektif.

## 2. Metode Penelitian
Penelitian ini dilakukan secara eksperimen dan pemodelan  numerik.  Parameter  yang  diaplikasikan pada  eksperimen  digunakan  untuk  simulasi  pada pemodelan numerik.

## 2.1. Pengelasan
Pengelasan  1F  dilakukan  pada  sambungan  T joint  dengan  bevel  45 o partial  joint  penetration dan root face 6 mm , Gambar 1, menggunakan proses las SAW single dan tandem. Kawat las yang digunakan adalah EM12K AWS A5.17 dengan diameter 4 mm, flux dengan  type  S-717  AWS  A5.17  EM12K sedangkan untuk materialnya berupa plat HSLA SM 490YA dengan ketebalan 20 mm.
Gambar 1 . Desain T joint
Ukuran fillet  weld yang  direncanakan  rujukan pada tabel 1.
Tabel 1 . Minimum fillet weld size [8]
Polaritas  DC  digunakan  untuk lead  electrode dan polaritas AC digunakan untuk trailing electrode pada  pengelasan  SAW Tandem ,  sedangkan  untuk SAW Single menggunakan polaritas DC untuk single wire electrode . Parameter pengelasan yang dilakukan seperti  pada  tabel  2  dengan  pemilihan  arus berdasarkan [9].
Tabel 2 . Parameter pengelasan SAW
Perhitungan heat  input hasil  pengelasan  dilakukan dengan rumus:
(1)

## Dimana:
Q = Heat Input (kJ/mm) per layer η = Thermal Eficiency (60 %) [10] V = Tegangan Busur Las / Voltage (V) I = Arus Listrik Las / Current (A) v = Kecepatan Pengelasan / Welding Speed (mm/min)
2.2.  Pemodelan numerik
Simulasi metode elemen hingga untuk mendapatkan  distribusi  panas  dan  distorsi  yang terjadi menggunakan struktur – termal pada software ANSYS.  Elemen  yang  digunakan  pada  simulasi  ini adalah SOLID 70 dan SOLID 90, Gambar 2.
Gambar 2 . Pemodelan Sambungan T
Bentuk elemen yang digunakan dalam penelitian  ini  adalah    hexahedral  dan  tetrahedral dengan ukuran mesh masing-masing adalah 0,03 dan 0,06 mm .
Heat  flux diberikan  pada  setiap  elemen  yang dilalui  pada  proses  pengelasan  didasarkan  pada parameter yang didapat dari eksperimen. Perhitungan heat flux dilakukan berdasarkan perumusan:
(2)
Dimana: q e : heat flux yang dihasilkan elektroda A 1 : Luas pada satu elemen.
A f : Luasan fluks yang dihasilkan eletroda (mm 2 )
Berdasarkan hasil perhitungan didapatkan nilai heat  flux sebesar  42.225850  Watt/mm 2 .  Beban  ini dikenakan secara transien atau berjalan sesuai dengan fungsi waktu.  Luas permukaan satu elemen di hitung dengan bantuan software ANSYS dengan menghitung  banyaknya  elemen  pada  satu  daerah lasan. Selain beban heat flux , ada kondisi batas yang harus dimasukkan ke dalam pembebanan pemodelan. Kondisi  batas  ini  adalah  kenyataan  bahwa  antara permukaan  pelat  dengan  udara  mengalami  kontak langsung.  Kondisi  batas  ini  berupa  beban  konveksi, untuk itu harus dimasukkan koefisien yang digunakan untuk  memasukkan  faktor  konveksi  ke  dalam pemodelan. Koefisien yang harus dimasukkan adalah sebagi berikut :
• Film coefficient = 10 W/m˚K
• Bulk Temperature = 303.15 K
Film  coefficient merupakan  koefisien  faktor konveksi yang terjadi antara logam yang dipanaskan dengan  udara.  Sedangkan bulk  temperature adalah temparatur  ruang  yang  terjadi  pada  saat  pengelasan dilakukan.  Pada  simulasi  ini,  konvergensi  berhasil dicapai dengan jumlah elemen sebanyak 2774 buah.

## 3.   Hasil dan Pembahasan
Proses  pengelasan  yang  telah  dilakukan menghasilkan distorsi pada sambungan T. Pengukuran  distorsi  yang  terjadi  dilakukan  dengan menggunakan bevel box, Gambar 3.
(a)
(b)
Gambar 3 . Pengukuran besar distorsi pada sisi A (a) dan sisi B (b)
Nilai  distorsi  tersebut  sebagaimana  terekam pada tabel 3.
Tabel 3 . Nilai distorsi yang terjadi
Semakin besar heat input yang diberikan, maka distorsi  yang  terjadi  semakin  besar.  Hal  ini dikarenakan  ketika  material  diberikan  beban  panas, suhu  pada  spesimen  mengalami  peningkatan.  Pada suhu  tinggi,  atom  –  atom  akan  bergerak  lebih  cepat dan membentur atom – atom yang ada disampingnya. Akibat dari benturan ini, atom – atom membutuhkan ruang  yang  lebih  luas  sehingga  mengakibatkan material  berubah  bentuk.  Jadi  semakin  besar  beban panas  yang  diberikan,  semakin  cepat  pula  atom  – atom akan saling berbenturan dan semakin besar pula perubahan bentuk material (distorsi).
Sebaran  panas  mempunyai  kecenderungan semakin besar dengan input panas yang lebih besar, sebagaimana nampak pada hasil pemodelan numerik, Gambar 4.
(a) (b)
Gambar 4 . Distribusi panas pengelasan SAW (a)  Tandem 450/480, (b)  Single 450
Begitu  juga  untuk  besar  distorsi  yang  terjadi mempunyai  kencenderungan  yang  sama  seperti sebaran panas, Gambar 5.
(a)
(b)
Gambar 5 . Total Deformasi dari Analisis Struktural pemodelan SAW  (a) Tandem 450/480, (b) Single 450
Hasil keseluruhan besar distorsi dari pemodelan numerik seperti pada tabel 4.
Tabel 4. Besar distorsi pemodelan numerik. No Specimen Besar distorsi 1 SAW Single 4 50 1.10 2 SAW Single 500 1.29 3 SAW Single 550 1.36 4 SAW Tandem 450/480 1.15 5 SAW Tandem 500/500 1.32 6 SAW Tandem 650/500 1.42
Besar  distori  antara  hasil  eksperiment  dengan pemodelan didapatkan hasil dengan tren yang sama, Gambar 6.
(a)

## (b)
Gambar 6. Grafik deformasi pengelasan SAW
(a) tandem, (b) single

## 4.   Kesimpulan
Pemodelan  numerik  yang  dilakukan  telah berhasil  mensimulasikan  efek  dari  variasi  arus terhadap distorsi yang terjadi pada proses pembuatan build-up  beam .  Secara  umum  pemakaian  proses  las SAW  dengan  filler  metal  tandem  menghasilkan distrosi yang lebih besar dibandingkan dengan single, karena  hal  ini  berkolerasi  dengan  besar  input  panas yang digunakan saat pengelasan.

## Referensi
[1] S.  K.  Sharma,  S.  Maheshwari,  and  R.  K.  R. Singh, “Effect of heat-input and cooling-time on  bead  characteristics  in  SAW,” Mater. Manuf. Process. , vol. 34, no. 2, pp. 208–215, 2019.
[2]
D.  V.  Kiran,  D.  W.  Cho,  H.  K.  Lee,  C.  Y.
Kang, and S. J. Na, “A study on the quality of two-wire tandem submerged arc welds under iso-heat  input  conditions,” International Journal of Advanced Manufacturing Technology , vol. 78, no. 1–4, pp. 53–62, Apr. 2015, doi: 10.1007/S00170-014-6644-3. [3] “Equipment  for  Submerged  Arc  Welding  - TWI.” https://www.twi-
global.com/technical-knowledge/job-
knowledge/equipment-for-submerged-arc- welding-016 (accessed Nov. 30, 2021).
[4] T. Akbar and B. Santosa, “Analisa Pengaruh Dari  Welding Sequence Terhadap Tegangan
Sisa  Dan  Deformasi  Pada  Circular  Patch Weld  Dobule  Bevel  Butt-Joint  Plat  ASTM A36 Menggunakan Metode Elemen Hingga,” undefined , 2012, doi: 10.12962/J23373539.V1I1.317. [5] C.  Shen,  “Low  distortion  welding  for shipbuilding industry,” University of Wollongong  Thesis  Collection  1954-2016 , Jan.  2013,  Accessed:  Nov.  30,  2021. [Online]. Available: https://ro.uow.edu.au/theses/3892
[6] M.  A.  Nurfitriana,  “Analisa  Pengaruh Pengelasan  Smaw  Dan  Fcaw-Ss  Pada
Material Low Carbon Steel Grade S355j2+N
Terhadap Perubahan Distorsi Dengan Variasi Heat  Input  Dengan  Menggunakan  Metode Eksperimen Dan Metode Numerik,” 2016.
[7] B. Firdiansyah, “Panas Distribusi, Deformasi dan  Analisa  Tegangan  Sisa  Las  Aluminium Plate dengan Dua Profil Sudut Kanan dengan Metode Elemen Hingga.,” 2011.
[8] AWS D1.1 Structural Welding Code — Steel . 2015.
[9] Batam  Institutional  Development  Project, “Pengenalan Las Busur Rendam,” 2002.
[10] Prof. Dr. Ir. H. Wiryosumarto, TEKNOLOGI PENGELASAN LOGAM . PT. Pradnya Paramita, 2000.