## SINERGI Polmed
: JURNAL ILMIAH TEKNIK MESIN
Homepage jurnal: http://ojs.polmed.ac.id/index.php/Sinergi/index

## SIMULASI  DISTRIBUSI  TEMPERATUR,  EQUIVALENT  VON MISSES DAN HEAT FLUX PADA PINLESS FRICTION WELDING
Pradhana Kurniawan a* , Agus Iswantoko a , Febrian Dakriso Pa Lado a , Hariyanto Dwi Prasetyo a
a Program Studi Teknik Mesin, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Merdeka Malang, Jalan Terusan Dieng No. 62-64 Klojen, Pisang Candi, Malang, Jawa Timur 65146, Indonesia *Corresponding authors at: pradhana.kurniawan@unmer.ac.id (P. Kurniawan) Telp.: + 62857-3673-0919
I N F O A R T I K E L

## Riwayat artikel:
Diajukan pada 11 Januari 2024 Direvisi pada 05 Februari 2024 Disetujui pada 16 Februari 2024 Tersedia daring pada 02 Maret 2024

## Kata kunci:
Temperatur, heat flux, pinless friction welding
Keywords: Temperature, heat flux, pinless friction
welding A B S T R A K
Metode  mengilangkan  pin  pada friction  stir  welding dapat  menimalisir  terjanya  cacat las. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis simulasi distribusi temperatur dan Heat Flux pada friction stir welding dengan material Ti-6AL-4V.  Proses simulasi terdiri dari preprocessing,  processing dan post  processing . Preprocessing diawali  dengan  desain sambungan plat Ti-6Al-4V dan geometri pahat menggunakan space claim pada software ANSYS. Plat memiliki dimensi 76,20 mm x 31,75 mm dan tool memiliki diameter 15, 24  mm.  Proses  selanjutnya  adalah  input engineering  data dimana  material  yang digunakan adalah TI-6Al-4V dan untuk pahat adalah AISI H13. Meshing menggunakan metode multizone pada pahat dan pada benda kerja menggunakan metode sweep dengan number  of  divisons 44. Boundary  condition terdiri  dari displacement,  remote displacement,  plastic  heating dan convection . Displacement digunakan  dalam menentukan posisi tumpuan dari benda kerja sedangkan remote displacement digunakan pada arah putaran pahat. Putaran pahat menggunakan 300 rpm. Hasil simulasi teperatur menunjukan  bahwa  temperature  global  mengalami  kenaikan  dari  25°C  ke  1052°C. Kenaikan ini diikuti dengan penambahan waktu pengelasan. Temperatur minimum yang dihasilkan  adalah  19,8°C  pada  range  waktu  1  –  2  second.  Heat  flux  yang  dihasilkan sebesar 3,8 W/mm 2 . Kenaikan temperature disebabkan adanya gesekan antara tool dan benda kerja, selain itu juga adanya regangan plastis.Temperatur yang naik menyebabkan pelunakan material sehinggal nilai stress akan semakin turun
A B S T R A C T
By removing pins from the friction welding process, it is possible to reduce the number of faults that arise during the welding process. The purpose of this study is to investigate the modelling of temperature distribution and heat flux in friction stir welding with Ti- 6AL-4V  material.  Preprocessing,  processing,  and  postprocessing  are  the  three  step processes  that  make  up  the  simulation  process.  The  design  of  the  Ti-6Al-4V  plate connection  and  tool  geometry  is  made  using  space  claims  in  the  ANSYS  programme. This  is  the  first  step  in  the  preprocessing  process.  The  diameter  of  the  tool  is  15.24 millimetres,  and  the  measurements  of  the  plate  are  76.20  millimetres  by  31.75 millimetres.  TI-6Al-4V  is  the  material  that  is  used  for  the  chisel, and  AISI  H13  is  the material  that  is  used  for  the  next  procedure,  which  is  engineering  data  input.  In  the process of meshing, the multizone method is utilised on the chisel, and the sweep method is utilised on the workpiece, with a total of 44 divisions. Conditions that are considered to be boundary conditions include convection, plastic heating, remote displacement, and displacement.  It  is possible  to  identify  the  support position  of  the  workpiece  by  using displacement,  whereas  remote  displacement  is  utilised  to  determine  the  direction  in which the tool is rotating. The rotation of the chisel utilises 300 revolutions per minute. According to the findings of the temperature simulation, the average temperature of the entire  planet  has  risen  from  25  degrees  Celsius  to  1052  degrees  Celsius.  After  this increase, there was a subsequent longer period of time spent welding. Within the time span of one to two seconds, the minimum temperature that was reached was 19.8 degrees Celsius. There is a heat flux of 3.8 W/mm2 that is created.

## 1. PENGANTAR
Ti-6Al-4V  merupakan  jenis  paduan  titanium  yang  paling  sering  digunakan  pada  industry  manufaktur  khusunya  pada  bidang penerbangan  (Froes,  2001;  Gangwar  &  Ramulu,  2017).  Industri  bidang  penerbangan  menggunakan  Ti-6AL-4V  karena  memimiliki keunggulan  diantaranya  ringan,  memiliki  kekuatan  yang  tinggi,  tahan  korosif,  tahan  pada  temperature  yang  tinggi  dan  tidak  memiliki elemen  toksik  yang  dapat  menurunkan  sifat  mekanis  (Gaddam  dkk.,  2013).  Keunggulan  tersebut  menjadi  sejalan  dengan  tuntutan pengembangan  komponen  penerbangan  karena  membuat  lebih  ringan,  memberikan  improvement  pada  aerodinamis  dan  meghemat penggunaan bahan bakar (Nyamekye dkk., 2023; Pasang dkk., 2023).
Proses penyambungan body pesawat sebagian besar sangat bergantung pada teknik pengelasan Fusi  (Park, t.t.). Pengelasan fusi yang  diterapkan  pada  paduan  yang  memiliki  karakteristik  temperatur  tinggu  seperti  titanium  akan  berdampak  kerentanan  terhadap terjadinya  cacat  (Prangnell  dkk.,  2011).  Cacat  yang  ditimbulkan  pada  pengelasan  Fusi  akan  menurunkan  kekuatan  dari  sambungan (Gangwar & Ramulu, 2017). Friction stir spot welding merupakan metode terbaru dalam proses penyambungan plat dengan menggunakan solid state (Thomas dkk., 2002). Solid state memiliki kelebihan dibandingkan FSE karena proses pengelasan menjadi lebih mudah dan menghasilkan pengelasan yang cukup baik (Bakavos dkk., 2011). Penelitian terkait p-FSSW menjadi menarik dengan melepaskan pin pada tool ( pinless ) akan menghasilkan produk pengelasan dengan menimalisir terjadinya cacat seperti keyhole dan hooking (Badarinarayan dkk., 2009). Secara luas aplikasi p-FSSW sudah diterapkan pada paduan structural ringan seperti Al dan Mg, namun pada paduan yang memiliki ketahanan pada Temperatur tinggi masih terbatas untuk diteliti (Begum dkk., 2009; Zhang dkk., 2011). Terbatasnya penelitian Ti-6Al-4V karena pemilihan tool yang digunakan harus memiliki kekuatan yang tinggi dan sifat refraktori. Selain itu penelitian dengan pemodelan Finite Element Method pada P-FSSW Ti-6Al-4V masih terbatas pada variasi kecepatan putaran, plunge depth dan plunge rate. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis equivalent von misses , temperatur dan heat flux pada Ti-6Al-4V menggunakan geometri flat  tool pada  pengelasan  P-FSSW. Tool menggunakan  putaran  330  rpm  dengan  material  H13.  Temperatur  transien  dan  tegangan  sisa dengan  dan  tanpa  pelepasan  perlengkapan  pada  benda  kerja  selanjutnya  ditentukan  secara  numerik.  Hasil  metode  simulasi  kemudian dijadikan referensi untuk metode eksperimen dan hasilnya akan dibandingkan

## 2. METODE

## 2.1 Desain
Preprocessing dimulai dengan mendesain geometri specimen Ti-6Al-4V dan geometri Tool menggunakan design modeler ANSYS 2021 R1. Dimensi dari specimen memiliki panjang 76,2 mm, lebar 31, 75, dan tebal 3,18 (Gambar 1). Tool menggunakan jenis pinless flat tool dengan diameter 15,24 mm dan panjang 5 mm (Zhu & Chao, 2004).
Gambar 1: Dimensi spesimen dan tool

## 2.2 Material
Material  yang  diinput  pada  engineering  data  adalah  Ti-6Al-4V  (Spesimen)  dan  AISI  H13  ( Tool ).  Nilai coefficient  of  thermal expansion pada Ti-6Al-4V dapat dilihat pada Tabel 1. Sifat mekanis pada tool meliputi density hingga specific heat constant pressure dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 1 : Coefficient of Thermal Expansion No Temperatur (°C)
Coefficient of Thermal Expansion (1/C 1 ) 1 -233,15 6,5 x 10 -6 2 -173,15 7,1 x 10 -6 3 19,85 8,9 x 10 -6 4 126,85 9,7 x 10 -6 5 326,85 1,08 x 10 -5 6 526,85 1,14 x 10 -5 7 626,86 1,16 x 10 -5 8 826,86 1,16 x 10 -5 Tabel 2 : Sifat Mekanis Aisi H13 No Jenis Sifat Mekanis Nilai 1 Density 280 (Kg / m 3 ) 2 Young Modulus 6,8 x 10 11 (Pa) 3 Poisson’s Ratio 0,22 4 Bulk Modulus 4,0476 x 10 11 (Pa) 5 Shear Modulus 2,7869 x 10 11 (Pa) 6
Isotropic Thermal Conductivity 100  (W/m 1 C 1 ) 7 Specific Heat Constant Pressure 750 (J/Kg -1 C -1 )

## 2.3 Meshing
Meshing bertujuan untuk membagi part menjadi elemen kecil. Part tool menggunakan metode meshing multizone . Edge sizing pada tool menggunakan type Number of Division dengan jumlah total 32. Meshing pada bagian plat Ti-6Al-4V pada bagian ujung plat menggunakan edge  sizing dengan  number  of  division  22,  sedangkan  pada body menggunakan meshing dengan  metode sweep dengan jumlah sweep number of divisions 44. Total nodes yang dihasilkan 6936 dan elements 4339.
Gambar 2: Hasil meshing

## 2.4 Boundary Condition
Boundary condition meliputi plastic heating , displacement, remote displacement dan convection . Plastic heating diposisikan pada bagian plat Ti-6Al-4V dengan  nilai plastic work fraction sebesar 0,8. Displacement terdiri dari dua bagian yaitu permukaan bawah plat dan permukaan samping plat. Permukaan bawah plat pada pergerakan sumbu x dan y adalah free sedangkan pada sumbu z adalah nol. Displacement pada bagian samping berfungsi sebagai tumpuan fixed support dimana pergerakan pada sumbu x, y dan z adalah 0 mm
Gambar 3: Posisi displacement
Tool diposisikan sebagai remote displacement dimana pergerakan sumbu x adalah nol, sumbu y akan bergerak pada step 29 s sejauh 60,9 mm, dan sumbu z akan bergerak ke bawah melakukan pemakanan pada benda kerja sejauh 7,95 x 10-4 mm. Rotasi tool pada sumbu x, y adalah nol dan rotasi pada sumbu z adalah sebesar 8100° (1330 rpm).
Gambar 4: Posisi Remote displacement
Convection pada tool dan plat Ti-6Al-4V memiliki nilai koefisien sebesar 3 x 10 -11 W/mm 2 °C sedangkan pada permukaan bawah memiliki nilai 3 x x 10 -11 W/mm 2 °C.
Remote Displacement z x
y

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Distribusi Temperatur
Distribusi temperature dihasilkan pada Gambar 5, Gambar 6 dan Gambar 7. Temperatur tertinggi dihasilkan disekitar tool pinless karena terjadi gesekan antara tool dan plat Ti-6Al-4V. Temperatur puncak yang dihasilkan sebesar 1049°C dengan kecepatan putar 1350 rpm  dan plunge  depth 7,95  x  10 -4 mm.  Kecepatan  putar  dan plunge  depth menjadi  parameter  penting  untuk  menghasilkan  parameter pengelasan  yang  optimal  (Shobri  dkk.,  2021).  Pengelasan  yang  optimal  dihasilkan  oleh  masukan  panas  yang  cukup  untuk  melunakan daerah disekitar pengelasan dan menghasilkan bahan Ti-6Al-4V menjadi plastis(Fujimoto dkk., 2005).
Gambar 5. Hasil temperatur
Grafik temperature maksimum dan minimum terhadap waktu dapat dilihat pada Gambar 7
Gambar 6. Temperatur global maksimum
Gambar 7. Temperatur global minimum
Kenaikan  temperatur  dimulai  dari  waktu  1  –  6  second,  setelah  itu  konstan  pada  temperature  1052°C.  Kenaikan  Temperatur disebabkan oleh panas yang dihasilkan dari gesekan dan regangan plastis. Gesekan akan mengakibatkan hilangnya energi sebesar hampir 92%.  Kondisi  tersebut  menunjukan  bahwa  peningkatan  Temperatur  pada  benda  kerja  akan  linier  dengan  kecepatan  putaran tool . Berdasarkan Gambar 6 dan 7 bahwa kenaikan temperature dihasilkan pada proses plunge period dimana pertama tool bersentuhan benda kerja secara langsung. Hal ini disebabkan karena tool menghasilkan hampir 86% panas dari gesekan. Pada akhir period temperature menjadi konstan dan menurun pada temperature yang lebih rendah.

## 3.2 Equivalent Von Misses
Hasil equivalent von misses dapat dilihat pada Gambar 8. Nilai yang dihasilkan adalah sebesar 1046,5 MPa. Nilai stres mulai tetap menjelang akhir plunge period dan inisiasi dwell period (Baruah dkk., 2022). Plunge period merupakan  tahapan awal dimana tool yang berputar berada tepat diatas permukaan benda kerja, sedangkan dwell period adalah tahap dimana kedalaman dari tool sudah melewati pada kondisi yang diinginkan (Veljic dkk., 2013).
Gambar 8: Hasil Equivalent Von Misses
Nilai stres semakin menurun pada bagian tertentu selama dwell period hal ini disebabkan karena pelunakan material lokal akibat Temperatur yang lebih tinggi di daerah pengelasan P-FSSW (Salloomi dkk., 2020). Bertambahnya kedalaman plunge berpengaruh terhadap peningkatan nilai stress . Stress yang tinggi dihasilkan ketika pada awal proses pengelasan karena terjadi kontak bahu antara tool dan benda kerja (plunge period) (Baruah dkk., 2022). Menjelang akhir plunge period distribusi stress menjadi melebar pada daerah potongan benda kerja dan melampaui dari tool . Nilai stress kemudian semakin menurun dengan bertambahnya waktu karena pelunakan local pada material Ti-6Al-4V(Pradhana dkk., 2021).

## 3.3 Heat Flux
Hasil  simulasi heat  flux dan directional dapat  dilihat  pada  Gambar  9  d.  Hasil  simulasi  heat  flux  sebesar  3,8  W/mm 2 .  Kondisi tersebut  sejalan  dengan  peningkatan  temperatur  dimana  hampir  50%  total  energi  mekanik  mesin  FSW  diubah  menjadi  peningkatan temperatur benda kerja selama FSW (Zhu  Chao, 2004). Energi 50% lainnya dapat hilang dalam (a) deformasi plastis yang besar pada material las, strip perlengkapan yang dijepit, dan pelat pendukung, dan (b) panas yang ditransfer ke pahat dan kepala mesin.  Perhatikan bahwa persentase energi mekanik yang ditransfer ke pemanasan benda kerja kurang dari nilai 75–80% (Chao dkk., 2003).
Gambar 9: Heat flux

## 4. KESIMPULAN
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis equivalent von misses, temperature dan heat flux pada pengelasan P-FSSW Ti-6Al- 4V. Hasil equivent von misses tertinggi sebesar 1046,5 MPa dimana nilai tersebut dihasilkan pada proses plunge period karena  adanya kontak bahu pertama antara tool dengan benda kerja Ti-6Al-4V. Nilai stres semakin menurun pada dwell period. Hasil simulasi temperatur sebesar 1049° C, kenaikan Temperatur disebabkan oleh panas yang dihasilkan dari gesekan dan regangan plastis. Kecepatan putar dan plunge depth menjadi parameter penting untuk menghasilkan parameter P-FSSW yang optimal. Hasil simulasi total heat flux adalah sebesar 3 W/mm 2 yang sejalan dengan peningkatan distribusi dari temperature dan hampir 50% total energi mekanik mesin P-FSW diubah menjadi peningkatan temperatur benda kerja selama P-FSW.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis pada kesempatan ini mengucapkan terimakasih pada LPPM Universitas Merdeka Malang yang telah mendanai penelitian simulasi P-FSSW. Terimakasih kepada Laboratorium Simulation dan Modelling Teknik Mesin Universitas Negeri Malang dan Universitas Merdeka Malang yang telah membantu penulis dalam penyelesaian naskah jurnal ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Attah, B., Lawal, S., Akinlabi, E.,  Bala, K. (2021). Evaluation of mechanical properties of dissimilar aluminium alloys during friction stir welding using tapered tool. Cogent Engineering , 8 , 1909520.
Badarinarayan, H., Yang, Q.,  Zhu, S. (2009). Effect of tool geometry on static strength of friction stir spot-welded aluminum alloy. International Journal of Machine Tools and Manufacture , 49 (2), 142–148.
Bakavos, D., Chen, Y., Babout, L.,  Prangnell, P. (2011). Material Interactions in a Novel Pinless Tool Approach to Friction Stir Spot Welding Thin Aluminum Sheet. Metallurgical and Materials Transactions A , 42 (5), 1266–1282.
Baruah, A., Murugesan, J.,  Borkar, H. (2022). Numerical Simulation of Friction Stir Spot Welding of Aluminium-6061 and Magnesium AZ-31B. Materials Science Forum , 1048 , 241–253.
Begum,  S.,  Chen,  D.,  Xu,  S.,    Luo,  A.  (2009).  Effect  of  strain  ratio  and  strain  rate  on  low  cycle  fatigue  behavior  of  AZ31  wrought magnesium alloy. Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing - MATER SCI ENG A-STRUCT MATER , 517 , 334–343.
Chao,  Y.,  Qi,  X.,    Tang,  W.  (2003).  Heat  Transfer  in  Friction  Stir  Welding—Experimental  and  Numerical  Studies. Journal  of Manufacturing Science and Engineering-transactions of The Asme - J MANUF SCI ENG , 125 .
Froes, F. H. (2001). Titanium Alloys: Properties and Applications. Dalam K. H. J. Buschow, R. W. Cahn, M. C. Flemings, B. Ilschner, E.
J. Kramer, S. Mahajan,  P. Veyssière (Ed.), Encyclopedia of Materials: Science and Technology (hlm. 9367–9369). Elsevier. Fujimoto, M., Inuzuka, M., Koga, S.,  Seta, Y. (2005). Development of Friction Spot Joining. Welding in the World , 49 (3), 18–21. Gabriel J. DeSalvo  John A. Swanson. (1985). ANSYS Engineering Analysis System User’s Manual. Swanson Analysis Systems . Gaddam,  R.,  Sefer,  B.,  Pederson,  R.,    Antti,  M.-L.  (2013).  Study  of  alpha-case  depth  in  Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo  and  Ti-6Al-4V. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering , 48 , 012002. Gangwar, K.,  Ramulu, M. (2017). Friction stir welding of titanium alloys: A review. Materials  Design , 141 .
Nyamekye, P., Rahimpour Golroudbary, S., Piili, H., Luukka, P.,  Kraslawski, A. (2023). Impact of additive manufacturing on titanium supply  chain:  Case  of  titanium  alloys  in  automotive  and  aerospace  industries. Advances  in  Industrial  and  Manufacturing Engineering , 6 , 100112.
Park,  H.  (t.t.).  Pinless  Friction Stir  Spot  Welding of  Ti-6Al-4V  Alloy  for  Aerospace  Application. Doctoral  Dissertations  University  of Tennessee .
Pasang,  T.,  Budiman,  A.  S.,  Wang,  J.  C.,  Jiang,  C.  P.,  Boyer,  R.,  Williams,  J.,    Misiolek,  W.  Z.  (2023).  Additive  manufacturing  of titanium alloys – Enabling re-manufacturing of aerospace and biomedical components. Microelectronic Engineering , 270 , 111935. Pradhana, Andoko, A.,  Sunu, P. W. (2021). Leaf spring type simulation with finite element method approach. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering , 1034 (1), 012015.
Prangnell, P., Haddadi, F.,  Chen, Y. (2011). Ultrasonic spot welding of aluminium to steel for automotive applications—Microstructure and optimisation. Materials Science and Technology , 27 , 617–624.
Salloomi, K. N., Hussein, F. I.,  Al-Sumaidae, S. N. M. (2020). Temperature and Stress Evaluation during Three Different Phases of Friction Stir Welding of AA 7075-T651 Alloy. Modelling and Simulation in Engineering , 2020 , e3197813.
Shobri, N. N. S. M., Pedapati, S. R.,  Awang, M. (2021). Simulation of Friction Stir Spot Welding of Copper and Aluminium During Plunging Phase. Journal of Physics: Conference Series, 2129(1), 012002.
Thomas, W., Dolby, R. E.,  Twi. (2002). Friction Stir Welding Developments. Dalam ASM Proceedings of the International Conference: Trends in Welding Research .
Veljic, D., Rakin, M., Perović, M., Medjo, B., Radakovic, Z., Todorovic, P.,  Pavišić, M. (2013). Heat generation during plunge stage in friction stir welding. Thermal Science , 17 , 489–496.
Zhang,  Z.,  Yang,  X.,  Zhang,  J.,  Zhou,  G.,  Xu,  X.,    Zou,  B.  (2011).  Effect  of  welding  parameters  on  microstructure  and  mechanical properties of friction stir spot welded 5052 aluminum alloy. Materials  Design , 32 (8), 4461–4470.
Zhu,  X.  K.,    Chao,  Y.  J.  (2004).  Numerical  simulation of  transient  temperature  and  residual  stresses  in  friction  stir  welding of 304L stainless steel. Journal of Materials Processing Technology , 146 (2), 263–272.