## ANALISIS MATEMATIS PENGELASAN GREY CAST IRON MENGGUNAKAN PROSES GTAW DENGAN DAN TANPA PREHEAT
Murti Marinah 1) , Doty Dewi Risanti 2) , Irwansyah,  Detak Yan Pratama 3) , Asep Suharto 4) , Muhammad Fadila 1)
1,2,3) Departemen Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri dan Rekayasa Sistem, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
4) Maintenance & Utilities Dept. PT. Vale Indonesia TbK, Sorowako Email: risanti@ep.its.ac.id *)

## ABSTRAK
Pemberian pemanasan awal pada proses pengelasan memberikan efek pengurangan tegangan, distorsi, retakan dan kekerasan pada daerah Heat Affected Zone (HAZ) dengan memperlambat laju pendinginan. Distribusi temperatur saat pengelasan didekati dengan menggunakan persamaan analitik Rosenthal pada  logam grey cast iron . Grey cast iron termasuk sulit untuk dilas dan memerlukan perlakuan khusus. Pada penelitian ini, perhitungan distribusi temperatur dan laju pendinginan dibandingkan dengan struktur mikro dan kekerasan untuk grey cast iron yang dilas dengan menggunakan Gas Tungsten Arc Welding (GTAW). Persamaan Rosenthal dengan solusi Bessel hanya cocok untuk distribusi temperatur pada daerah lelehan, sedangkan solusi quasi steady state dapat digunakan untuk prediksi distribusi temperatur arah lateral dan transversal pada logam lasan. Preheating pada suhu 315 ℃ berpengaruh pada lebar HAZ yang dihasilkan menurut persamaan eksponensial terhadap travel speed , memperlambat  laju  pendinginan  dan  menurunkan  kekerasan  karena  berkurangnya carbon  equivalent (CE). Struktur  mikro  HAZ  pada grey  cast  iron yang  diberi preheating menunjukkan  dominasi  martensit  nikel  dan eutektik ledeburit, sedangkan tanpa preheating menghasilkan struktur mikro didominasi oleh eutektik ledeburit dan besi karbida dalam white iron .
Kata kunci: GTAW, Grey Cast Iron, Persamaan Rosenthal, Preheating, Laju Pendinginan

## ABSTRACT
Preheating in the welding process reduces stress, distortion, cracks, and hardness in the Heat Affected Zone (HAZ) by slowing down the cooling rate. In this study, welding's temperature distribution is approximately using Rosenthal's analytical equation for grey cast iron. Grey cast iron is difficult to weld and requires special precautions.  The  calculated  temperature  distribution  and  cooling  rate  were  compared  with  the  obtained microstructure  and  hardness  for  grey  cast  iron  samples  welded  using  Gas  Tungsten  Arc  Welding  (GTAW). Rosenthal's  equation  using  Bessel's  solution  is  only  suitable  for  temperature  distribution  in  the  melt  pool;  in contrast, the quasi-steady-state solution can be used to predict the lateral and transverse temperature distribution of  the  welded  metal.  Preheating  at  a  temperature  of  315  affects  the  resulting  HAZ  width  according  to  the exponential equation for travel speed, slows down the cooling rate, and reduces hardness due to reduced carbon equivalent (CE). The microstructure of grey cast iron HAZ, which was given preheating, showed the dominance of nickel martensite and eutectic ledeburite; the microstructure was dominated by eutectic  ledeburite and iron carbide within white iron.
Keywords: GTAW, Grey Cast Iron, Rosenthal Equation, Preheating, Cooling Rate

## 1. PENDAHULUAN
Grey  cast  iron merupakan  besi  tuang  yang mikrostrukturnya  terdiri  dari  grafit  dalam  bentuk flake yang  berada  di  dalam  matriks ferrous .  Secara komposisi biasanya grey cast iron mengandung 2,5- 4%  karbon,  1-3%  silikon  dan  0,1-1,2%  mangan. Kekuatan  mekanik grey  cast  iron bergantung  pada matriksnya  yang  mengandung  grafit  dalam  bentuk karbon bebas. Matriksnya dapat berupa ferit hingga perlit dan kombinasi dari kedua fasa tersebut. Grafit flake dalam  ukuran  yang  besar  dapat  menurunkan kekuatan dan keuletan (Singh, 2016).
Grey  cast  iron dengan  struktur  mikro  grafit dalam  matriks  austenit  tertransformasi  dan  sementit bersifat lunak. Flake grafit yang ada di dalam struktur
mikronya  berbentuk  seperti  roset  dalam  3  dimensi mempunyai  densitas  rendah  yang  mampu  menahan penyusutan saat proses pengecoran (Singh, 2016).
Flake grafit mempunyai karakteristik peredaman  dan machineability yang  baik  karena grafit  bertindak  sebagai chip breaker dan melumasi alat  potong.  Dalam  aplikasi  yang  berhubungan dengan  keausan,  grafit  berguna  untuk  menjaga pelumasan.  Namun  demikian  grafit  bersifat  sebagai konsentrasi tegangan yang menurunkan ketangguhan (Singh, 2016).
Pada  proses  pengelasan  pada  umumnya, siklus  pemanasan  dan  pendinginan  menyebabkan material  mengalami  ekspansi  dan  kontraksi,  yang menyebabkan  tegangan  tarik  saat  kontraksi  terjadi.
Pada saat seperti itu, grafit dalam bentuk flake dapat menyebabkan terjadinya kegagalan. Pada saat proses pengelasan jumlah karbon yang tinggi akan berdifusi ke  dalam  fasa  austenit,  membentuk  fasa  yang keras dan getas yaitu martensit dan karbida pada antarmuka lasan (Bhatnagar & Gupta, 2016).
Salah satu cara untuk menghindari terbentuknya martensit dan karbida pada lasan adalah dengan  mengendalikan  laju  pendinginan  dan komposisi pada daerah lasan melalui pemilihan filler metal yang  tepat. Filler dari  nikel  diketahui  dapat mencegah  ternentuknya  martensit  dan  karbida (Pouranvari,  2010).  Cara  lain  adalah  dengan pemberian preheating . Preheating juga  mengurangi residual stress , distorsi, mencegah cold cracking dan menurunkan  hardness  di  daerah heat  affected  zone (HAZ) (Bhatnagar & Gupta, 2016). Sebelumnya telah
dilakukan studi eksperimental  pengelasan  pada nodular  cast  iron (Laisa, Sulistijono, & Awali, 2018) dan grey cast iron (Suharto,  Risanti,  &  Sekartedjo,  2019)  dengan menggunakan Gas Tungsten Arc Welding (GTAW). GTAW  menghasilkan  kualitas  las  yang baik karena adanya gas  pelindung  yang  mempengaruhi  efisiensi termal  dan  peleburan  logam.  Penelitian  tentang aplikasi las GTAW dengan menggunakan preheating seperti  pada  (Suharto,  Risanti,  &  Sekartedjo,  2019) dan (Arifin, 2013).
Faktor yang mempengaruhi perubahan struktur  mikro  lasan  antara  lain  nilai travel  speed . Travel  speed yang  besar  akan  memperkecil heat input , dengan demikian cooling rate akan meningkat. Cooling  rate berhubungan  dengan  kekerasan  dari lasan,  semakin  besar cooling  rate semakin  besar kekerasan  yang  mengakibatkan  material  akan menjadi  semakin  getas  (Kumar,  Arya,  &  Saxena, 2014). Oleh karena itu, pada studi ini akan dilakukan analisis secara matematis proses pengelasan grey cast iron dengan GTAW dengan menggunakan persamaan Rosenthal untuk  variasi preheating dan travel speed pengelasan.

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1.
Material Grey Cast Iron
Pada  studi  kali  ini,  identifikasi  masalah dilakukan pada dimensi dan  sifat material grey cast iron ASTM  A48  Class  40  dengan  komposisi  pada Tabel 1 . Elektroda pengelasan menggunakan ERNi- Cl  (Cascade  17T)  diameter  3,2  mm  dengan komposisi seperti pada Tabel 1.
Tabel  1 .  Komposisi  kimia  material  dasar  ( base  metal )  dan elektroda  lasan  yang  digunakan  (Suharto,  Risanti,  & Sekartedjo, 2019) . Elemen Grey Cast Iron (wt%) Elektroda (wt%) C 5,135 0,037 Si 1,672 0,44 S 0,103 0,24 P 0,050 -
Mn 0,672 0,24 Ni 1,198 Bal. Cr 0,278 - Mo 0,436 - Cu 0,251 0,02 Sn 0,030 - Fe Bal. 0,02
Adapun  bentuk  daerah  lasan  diilustrasikan seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Ilustrasi daerah heat affected zone (HAZ), weld metal (WM) dan base metal (BM) di sekitar root pass pada sampel  #85  (tanpa preheating )  dan  #86  (dengan preheating ).
Komposisi  pada root  pass dan  daerah  HAZ ditabulasikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Komposisi kimia pada root pass dan daerah HAZ yang digunakan (Suharto, Risanti, & Sekartedjo, 2019).
Elemen Tanpa preheat (wt%) Dengan preheat (wt%) C 42,3 27,1 O 7,53 4,9 Si 1,06 0,44 Cr 0,20 0,24 Fe 47,86 63,79 Ni 0,47 0,72 Cu 0,19 0,34 Mo 0,39 1,43 Total 100 100
Perhitungan  CE cast  iron menggunakan persamaan  (Winiczenko,  Kaczorowski,  &  Skibicki, 2018):
𝐶𝐸 = 𝑤 𝐶 + 0,31 ∙ 𝑤 𝑆𝑖 + 0,33 ∙ 𝑤 𝑃 + 0,45 ∙ 𝑤 𝑆 − 0,028 ∙ 𝑤 𝑀𝑛 (1)
Berdasarkan  persamaan  (1),  nilai carbon equivalent (CE)  dari  material  dasar , akar lasan  dan daerah  HAZ dihitung  menggunakan  data komposisi dari  Tabel  2.  Hasil  perhitungan  ditunjukkan  pada Tabel 3.
Tabel  3. Nilai  CE  untuk  masing-masing  zona  lasan  dihitung  dari pengujian komposisi
Daerah Lasan Nilai CE
BM 0,056 WM tanpa Preheat WM dengan Preheat HAZ tanpa Preheat HAZ dengan Preheat 0,104 0,062 0,425 0,275

## 2.2. Model Matematis Yang Digunakan
Perhitungan  untuk  distribusi  suhu  sebelum pemanasan  awal  dan  setelah  pemanasan  awal dilakukan dengan menggunakan persamaan Rosenthal  (Nasiri  &  Enziger,  2019) dimana  pada kasus  pengelasan  ini,  diasumsikan  sumber  panas bergerak, sehingga solusi persamaan Rosenthal untuk distribusi  temperatur  yang  dihasilkan  oleh  sumber panas  bergerak  dapat  dituliskan  menurut  hukum konservasi energi:
𝜌𝑐 ( 𝜕𝑇 𝜕𝑡 + 𝑣∇𝑇) = ∇ ∙ (𝑘∇𝑇) + 𝑄̇ (2)
Jika sumber panas bergerak sepanjang sumbu- x,  sifat  fisika  dan  distribusi  suhu  di  sekitar  sumber panas diasumsikan tetap, maka persamaan (2) dapat dituliskan dalam keadaan quasi- steady state : 𝑤 = 𝑥 − 𝑣𝑡
(3) 𝜌𝑐𝑣 𝑘 𝜕𝑇 𝜕𝑤 = ∇ 2 𝑇 + 𝑄̇ 𝑘
(4)
Menurut  asumsi  yang  digunakan  oleh Rosenthal (Rosenthal, 1948) maka solusi umum dari persamaan  (3)  pada  pelat  semi  tak  berhingga menjadi:
𝑇 − 𝑇 0 = q 2πkd 𝑒 − 𝑣(𝑤+𝑅) 2α (5)
dimana:
T   = suhu ( ℃) 𝑇 0 = suhu awal pelat las ( ℃) q    = input daya (Watt) k   = konduktivitas termal ( 𝑊 𝑚𝐾 ) R  =  jarak  ke  pusat  pengelasan  ( arc )  = √𝑤 2 + 𝑦 2 + 𝑧 2 v = travel speed (m/s) α = difusivitas termal material = 𝑘 𝜌𝑐𝑝 c p = panas spesifik (J/kg.K)
Persamaan lain yang digunakan sebagai pembanding adalah  persamaan  Rosenthal  dengan  solusi  radial quasi-stasioner  fungsi  Bessel  termodifikasi  (Nunes, 1983):
𝑇 − 𝑇 0 = q 2πkd 𝑒 − 𝑣 2α 𝑥 𝐾 0 ( v 2α 𝑅) (6)
dengan:
𝐾 0 = Fungsi Bessel orde nol jenis ketiga d  =  setengah  dari  tebal  plat  pengelasan (Messler,
2004) = 6 mm Input daya sendiri didefinisikan sebagai: 𝑞 = 𝜂𝐸𝐼
(7) dengan 𝜂 adalah  efisiensi  pengelasan,  E  adalah tegangan yang digunakan saat pengelasan (volt) dan
I  adalah  arus  yang  digunakan  saat  pengelasan (ampere).  Simulasi  untuk  distribusi  temperatur dilakukan  dengan  menggunakan  persamaan  (5)  dan (6)  pada kondisi  dengan dan tanpa pemanasan awal (315 ℃ ) serta variasi kecepatan pengelasan antara 0,5 dan  5  mm/s.  Sedangkan  untuk  input  daya,  efisiensi arc ,  arus  dan  tegangan  yang  digunakan  selama pengelasan ini adalah 0,7 (Stenbacka, 2013), 150 A dan 14,6 volt (Suharto, Risanti, & Sekartedjo, 2019), secara berurutan.
Waktu yang diperlukan untuk  proses pendinginan  pada  rentang  temperatur  500 ℃ -800 ℃ dinyatakan dalam persamaan berikut (Poorhaydari & Patchett, 2005) (Dong, et al., 2017):
∆𝑡 8−5 = 𝑞 𝑣 ⁄ 2𝜋𝛼𝜃 1 ( 8)
1 𝜃 1 = ( 1 500−𝑇 0 − 1 800−𝑇 0 ) (9)
untuk pelat tebal dan
∆𝑡 8−5 = (𝑞 𝑣 ⁄ ) 2 4𝜋𝛼𝑐𝑑 2 𝜃 2 (10)
1 𝜃 2 = ( 1 (500−𝑇 0 ) 2 −(800−𝑇 0 ) 2 ) (11)
untuk pelat tipis.
Karakteristik grey cast iron yang digunakan pada perhitungan ditunjukkan pada tabel 4.
Tabel 4. Sifat dari grey cast iron yang digunakan (Kopeliovich, 2012)
Sifat Nilai Konduktivitas termal 53 W/mK Density 7990 kg/m 3 Titik lebur Koefisien muai panas Panas spesifik 1260 ℃ 9 x 10 −6 /℃
490 J/kgK

## 2.3. Metalografi dan Uji Keras
Metalografi dilakukan pada daerah WM, BM, dan  HAZ  (Gambar  1)  dengan  proses grinding dan polishing serta etza dengan larutan nital (5% HNO 3 ). Kekerasan  diukur  dengan  menggunakan  mikro Vickers dengan beban 200 g dan waktu tahan 10 detik dengan  indentor  berlian  bersudut  136 ° .  Pengukuran kekerasan diambil pada daerah BM, HAZ dan WM, masing-masing  sejumlah  6  titik  (Tabel  5).  Standar deviasi pengukuran kekerasan sebesar 0-72 HV.
Tabel 5. Hasil pengukuran kekerasan pada daerah WM, HAZ dan BM (Suharto, Risanti, & Sekartedjo, 2019).
Tanpa preheat Dengan preheat WM HAZ BM WM HAZ BM 214,7 682,8 217,2 256 578,7 230,5

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Hasil  Simulasi  Variasi  Travel  Speed

## Dengan MATLAB
Hasil  Simulasi  dengan  Matlab  menggunakan persamaan (5) dengan data dari Tabel 4 ditunjukkan pada  Gambar  2.  Dari  hasil  simulasi  terlihat  bahwa jangkauan panas dari torch ke logam dasar menjadi semakin  luas  jika travel  speed semakin  lambat  dan logam  diberi prehating .  Terlihat  pula  saat travel speed semakin  cepat  pola  sebaran  temperatur berubah dari radial menjadi elipsoid.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar  2. Jejak  trayektori dari  pengelasan  dilihat  dari atas dan dari penampang dengan kondisi (a) travel speed = 0,5 mm/s  tanpa preheating ,  (b) travel  speed =  5  mm/s tanpa preheating , (c) travel speed = 0,5 mm/s dengan preheating ,  dan  (d) travel  speed =  5  mm/s  dengan preheating .
Gambar  3  berikut  ini  adalah  hasil  simulasi dengan  menggunakan  persamaan  (6)  untuk  kedua kondisi  yakni  dengan  dan  tanpa preheating. Nilai difusivitas termal diperoleh dari (Omerod, Taylor, & Edwards,  1978)  untuk cast  iron dengan  grafit berbentuk flake .  Bentuk flake telah  diketahui mempunyai karakteristik tersendiri yang menentukan difusivitas  termal  dari grey  cast  iron (Hecht, Dinwiddie,  &  Wang,  1999).  Dari  literatur  tersebut diperoleh nilai persamaan α(T):
𝛼 = 1,504 − 0,00132𝑇 + 1,4884 × 10 −7 𝑇 2 (12)
Dengan  demikian  untuk  tanpa preheat (T  =  25
℃) didapatkan α sebesar 1471 dan dengan preheat (T =  315 ℃ )  didapatkan  α  sebesar  1103  m 2 /s.  Secara umum  dari  Gambar  3,  dapat  dilihat  bahwa  yang paling  signifikan  berubah  terhadap travel  speed adalah temperatur puncak dari torch .
(a) (b) (c) (d)
Gambar 3. Distribusi  temperatur pengelasan  dengan kondisi  (a)
travel speed = 0,5 mm/s tanpa preheating , (b) travel speed = 5 mm/s tanpa preheating , (c) travel speed = 0,5 mm/s dengan preheating , dan (d) travel speed = 5 mm/s dengan preheating .
Secara umum semua temperatur puncak pada Gambar  3  berada  pada  temperatur  di  atas  liquidus (Tabel 4). Solusi menggunakan fungsi Bessel radial yang  ditampilkan  pada  Gambar  3  merupakan distribusi temperatur pada daerah weld metal (WM). Sedangkan  Gambar  2  lebih  ke  solusi  daerah  HAZ. Preheating bertujuan  untuk  menstabilkan  suhu sampel  agar  tidak  terjadi  kerusakan  pada  saat  dan setelah pengelasan akibat adanya thermal shock , pada Gambar  2  dan  3  terlihat  bahwa  sampel  yang  diberi preheating menghasilkan  temperatur  puncak  yang lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  sampel  tanpa preheating pada  semua  nilai  kecepatan  las.  Di samping  itu  temperatur  puncak  berkurang  dengan semakin besarnya kecepatan las, hal ini berhubungan dengan heat  input dari  las  yang  berbanding  lurus dengan  daya  las  dan  berbanding  terbalik  dengan dengan  kecepatan  las  (Kutelu,  Seidu,  Eghabor,  & Ibitoye, 2018) (Gambar 4).
0 1 2 3 4 5 6 3250 3500 3750 4000 4250 Tanpa preheat Dengan preheat T e mp e ra tu r p u n ca k ( o C) Travel speed (mm/detik)
Gambar 4. Distribusi  temperatur pengelasan  dengan kondisi  (a) travel speed = 0,5 mm/s tanpa preheating , (b) travel speed = 5 mm/s tanpa preheating , (c) travel speed = 0,5 mm/s dengan preheating , dan (d) travel speed = 5 mm/s dengan preheating .
Kecepatan las berbanding terbalik dengan luas penampang  lasan,  kedalaman  penetrasi  dan  lebar lasan.  Namun  demikan  nisbah  kedalaman  penetrasi terhadap  lebar  lasan  tidak  terlalu  dipengaruhi  oleh kecepatan lasan itu sendiri. Sehingga dapat dikatakan bahwa  kecepatan  lasan  hanya  berpengaruh  pada volume  material  yang  mencair  (Kutelu,  Seidu, Eghabor, & Ibitoye, 2018).
0 1 2 3 4 5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Tanpa preheat Dengan preheat L e b a r H AZ (mm) Travel speed (mm/detik) y=3,2261x -0,41796 y=3,24069x -0,30975
Gambar 5. Pengaruh travel speed pada lebar HAZ untuk kondisi dengan dan tanpa preheat .
Gambar 5 menunjukkan perubahan lebar HAZ yang  diukur  dari  Gambar  2  terhadap travel  speed . HAZ  di  sini  merupakan  daerah  yang  temperaturnya di  bawah  temperatur  lebur  (Tabel  4)  hingga  ke temperatur  kritis  (Poorhaydari  &  Patchett,  2005). Pada travel speed yang rendah didapatkan HAZ yang lebar  dan  terlihat  efek preheat tidak  signifikan sampai  dengan travel  speed 1  mm/detik.  Efek preheat menjadi  terlihat  saat travel  speed di  atas  1 mm/detik  dengan preheat menghasilkan  HAZ  yang lebih besar daripada tanpa preheat .

## 3.2. Hasil Perhitungan Laju Pendinginan
Gambar  6  adalah  hasil  perhitungan  laju pendinginan  dari  temperatur  800-500 ℃ dengan menggunakan  persamaan  (8-11).  Laju  pendinginan
ini dapat digunakan untuk prediksi transformasi fasa (Poorhaydari & Patchett, 2005).
0 1 2 3 4 5 6 10 100 1000 Tanpa preheat Dengan preheat  t 8 -5 (p e la t te b a l) Travel speed (mm/detik) 1 10 100 1000  t 8 -5 (p e la t ti p is)
Gambar 6. Pengaruh travel speed pada laju pendinginan dengan simbol  penuh  untuk  pelat  tebal  dan  simbol  terbuka untuk pelat tipis.
Dari  Gambar  6  terlihat  bahwa  angka  laju pendinginan  pada grey  cast  iron ini  untuk  asumsi  pelat tipis  satu  orde  lebih  besar  dibandingkan  dengan  untuk pelat  tebal. Preheat secara  umum  membuat  laju pendinginan  lebih  lambat  daripada  tanpa preheat .  Laju pendinginan  pada  lasan  bersifat  tidak  homogen  dalam arah radial pada penampang melintangnya (asumsi pelat tebal),  di  sisi  lain  laju  pendinginan  lebih  cepat  pada permukaan atas pelat dekat dengan sisi weld bead (asumsi pelat  tipis)  daripada  di  bagian  bawah weld  bead ,  oleh karena itu  lebar HAZ di permukaan lebih sempit (Gambar 1).

## 3.3. Analisis  Perubahan  Struktur  Mikro  dan Hasil Uji Keras
Gambar  7  menunjukkan  gambar  struktur  mikro daerah lelehan (WM). Secara umum struktur mikro grey cast iron tanpa preheat menghasilkan struktur mikro yang lebih kecil dibandingkan dengan preheat . Struktur mikro berupa  eutektik  ledeburit  ( 𝛾 − 𝐹𝑒 + 𝐹𝑒 3 𝐶 )  yang tersusun  atas white  iron dengan  besi  karbida  dan  perlit tanpa grafit untuk tanpa preheat dan dengan sedikit grafit untuk dengan preheat . Terbentuknya grafit dalam bentuk spheroid ini menunjukkan bahwa grafit terbentuk selama proses undercooling ini  muncul  karena  proses pendinginan cepat (Ishida, 1985).
(a) (b)
Gambar 7. Pengaruh preheat pada struktur mikro daerah WM: (a) tanpa  dan  (b)  dengan preheat (Suharto,  Risanti,  & Sekartedjo, 2019).
Gambar  8  menunjukkan  struktur  mikro daerah HAZ. Struktur mikro pada daerah ini tersusun
atas  ledeburit  dan  besi  karbida,  juga  terdapat martensit  nikel  berbentuk  seperti  jarum  dan  perlit halus  di  sekitar  batas  garis  fusi  (Ishida,  1985) (Suharto, Risanti, & Sekartedjo, 2019).
(a) (b)
Gambar 8. Pengaruh preheat pada struktur mikro daerah HAZ: (a) tanpa  dan  (b)  dengan preheat (Suharto,  Risanti,  & Sekartedjo, 2019).
Daerah  batas  antara  WM  dan  HAZ  pada Gambar 8 disebut dengan daerah leleh sebagian. Pada daerah ini, terdapat banyak grafit flake . Hal ini dapat membentuk  struktur  yang  rapuh  di  sepanjang  garis fusi  las.  Matriks  austenit  yang  mengelilingi karbida ini juga dapat berubah menjadi martensit pada suhu yang  lebih  rendah  pada  laju  pendinginan  cepat. Urutan transformasi fasa selama pendinginan daerah batas  ini  dapat  diringkas  sebagai  berikut  (Suharto, Risanti, & Sekartedjo, 2019):
𝐿 + 𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡 → 𝑒𝑢𝑡𝑒𝑘𝑡𝑖𝑘 𝑙𝑒𝑑𝑒𝑏𝑢𝑟𝑖𝑡 + 𝑎𝑢𝑠𝑡𝑒𝑛𝑖𝑡 → 𝑙𝑒𝑑𝑒𝑏𝑢𝑟𝑖𝑡 + 𝑚𝑎𝑟𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡 𝑁𝑖
Dari  Tabel  3  dan  Tabel  5,  terlihat  bahwa semakin  tinggi  CE  maka  kekerasan  dari  logam  juga semakin tinggi. CE yang diperoleh berhubungan dengan laju  pendinginan,  yakni:  laju  pendinginan  lambat membuat  struktur  mikro  didominasi  dengan  reaksi eutektik  austenit  dan  grafit,  sedangkan  laju pendinginan lambat didominasi oleh austenit dan karbida dalam white iron (Devletian, 1978). Pada penelitian ini, terlihat bahwa keadaan tanpa preheat mengandung lebih tinggi CE dan didominasi  eutektik  ledeburit  dan  besi  karbida  dalam white  iron menunjukkan  pendinginan  lebih  lambat.  Hal yang  sama  juga  ditunjukkan  pada  Gambar  6,  dimana kondisi  tanpa preheat menghasilkan  laju  pendinginan yang lebih lambat daripada dengan preheat . Preheating bergantung  pada  CE  pada  lasan, ukuran lasan, dan heat input (Devletian, 1978). CE yang tinggi menyebabkan grafitisasi  dan feritisasi pada lasan, dengan  demikian  diperlukan  temperatur  preheat  rendah (atau  laju  pendinginan  yang  cepat)  untuk  mendapatkan kekerasan  yang  diinginkan.  Dari    (Devletian,  1978) terlihat  bahwa,  untuk  temperatur preheating 315 ℃ diperlukan laju pendinginan kurang lebih 10 ℃ 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 ⁄ ,
sedangkan pada penelitian ini laju pendinginan sebesar 10 dapat diperoleh jika travel speed dari lasan > 5 mm/detik (Gambar 6).

## 4. KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  hasil  simulasi  dan  eksperimen  di  atas dapat  disimpulkan  bahwa  persamaan  Rosenthal dengan  solusi  Bessel  hanya  cocok  untuk  distribusi temperatur  pada  daerah  lelehan,  sedangkan  solusi quasi  steady  state dapat  digunakan  untuk  prediksi
distribusi temperatur arah lateral dan transversal pada logam  lasan. Preheating pada  suhu  315 ℃ berpengaruh  pada  lebar  HAZ  yang  dihasilkan menurut  persamaan  eksponensial  terhadap travel speed , memperlambat laju pendinginan dan menurunkan kekerasan karena berkurangnya carbon equivalent (CE). Struktur mikro HAZ pada grey cast iron yang  diberi preheating menunjukkan  dominasi martensit  nikel  dan  eutektik  ledeburit,  sedangkan tanpa  preheating  menghasilkan  struktur  mikro
didominasi  oleh  eutektik  ledeburit  dan  besi  karbida dalam white iron.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Departemen  Teknik  Fisika  FTIRS-ITS  yang  telah mendanai  penelitian  ini  dengan  skema  Penelitian Dana Departemen Tahun 2019.

## DAFTAR PUSTAKA
Arifin,  A.  (2013). Pengaruh  Preheat  Terhadap Struktur Mikro, Sifat Mekanis dan Kekuatan Creep  Sambungan  Las  GTAW  Material Baja  Paduan  12Cr1MoV  yang  Digunakan pada Superheater  Boiler. Tesis S2, Teknik Mesin.  Jogyakarta:  Universitas  Gadjah Mada.
Bhatnagar, K. R., & Gupta, G. (2016). A Review on Weldability  of  Cast  Iron. International
Journal  of  Scientific  &  Engineering Research,
7 (5), 126-131.
https://www.ijser.org/researchpaper/A- REVIEW-ON-WELDABILITY-OF-
CAST-IRON.pdf
Devletian, J. (1978). Weldability of Gray Iron Using Fluxless  Gray  Iron  Electrodes  for  SMAW.
The Welding Journal , 183s-188s. https://app.aws.org/wj/supplement/WJ_197 8_07_s183.pdf
Dong, L.-M., Qiu, X.-B., Liu, T.-Y., Lu, Z.-Y., Fang, F.,  &  Hu,  X.-J.  (2017).  Estimation  of Cooling Rate from 800 o C to 500 o C in the Welding  of  Intermediate  Thickness  Plates Based  on  FEM  Simulation. Journal  of Materials Science and Engineering B, 7 (11-
12),
258-267.
https://davidpublisher.org/Public/uploads/C ontribute/5a823c8e65130.pdf
Hecht,  R.,  Dinwiddie,  R.,  &  Wang,  H.  (1999).  The effect  of  graphite  flake  morphology  on  the thermal  diffusivity  of  gray  cast  irons  used for  automotive  brake  discs. Journal  of Materials Science, 34 , 4775-4781. https://doi.org/10.1023/A:1004643322951
Ishida, T. (1985). A Microstructural Study of Local Melting of Gray Cast Iron with a Stationary Plasma  Arc. The  Welding  Journal ,  232s- 241s.
http://files.aws.org/wj/supplement/WJ_198 5_08_s232.pdf
Kopeliovich,  D.  (2012,  June  02). Grey  cast  iron ASTM  40 .  Retrieved  from  SubsTech:
https://www.substech.com/dokuwiki/doku. php?id=grey_cast_iron_astm_40
Kumar,  R.,  Arya,  K.  H.,  &  Saxena,  K.  R.  (2014). Experimental  Determination  of  Cooling Rate  and  its  Effect  on  Microhardness  in Submerged Arc Welding of Mild Steel Plate (Grade  c-25  as  per  IS  1570). Journal  of Material Sciences & Engineering, 3 (2), 1-4. https://doi.org/ 0.4172/2169-0022.1000138
Kutelu,  B.,  Seidu,  S.,  Eghabor,  G.,  &  Ibitoye,  A.
(2018).  Review  of  GTAW  Welding Parameters. Journal  of  Minerals  and Materials Characterization and Engineering,  6 ,  541-554.  https://doi.org/
10.4236/jmmce.2018.65039
Laisa,  M.  I.,  Sulistijono,  S.,  &  Awali,  J.  (2018). Effect of Heat Input with Current Variation on  Weld  Overlay  GTAW  Method  with ERNi-CI  and  ERNiFe-CI  Fillers  on
Mechanical Properties and Micro Structure of  Main  Cap  Product. IPTEK  Journal  of Proceedings Seried, 4 , 33-38. http://iptek.its.ac.id/index.php/jps/article/vi ew/3842
Messler,  R.  (2004). Principles  of  Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy. Singapore: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
Nasiri,  M.,  &  Enziger,  N.  (2019).  An  analytical solution for temperature distribution in fillet arc welding based on an adaptive function. Welding  in  the  World,  63 ,  409-419. https://doi.org/10.1007/s40194-018-0667-6
Nunes,  A.  (1983).  An  Extended  Rosenthal  Weld Model: Welding Research Supplement , 165- 170. http://files.aws.org/wj/supplement/WJ_198 3_06_s165.pdf
Omerod,  J.,  Taylor,  R.,  &  Edwards,  R.  (1978). Thermal  diffusivity  of  cast  irons. Metals Technology, 5 (1), 109-113. https://doi.org/10.1179/mt.1978.5.1.109
Poorhaydari, K., & Patchett, B. I. (2005). Estimation of  Cooling  Rate  in  the  Welding  of  Plates with  Intermediate  Thickness. The Welding Journal, 84 (10), 149s-155s.
https://app.aws.org/wj/supplement/10-
2005-POORHAYDARI-s.pdf
Pouranvari,  M.  (2010).  On  the  weldability  of  grey cast  iron  using  nickel  based  filler  metal. Materials  &  Design,  31 (7),  3253-3258. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.02.03 4
Rosenthal,  D.  (1948).  The  theory of  moving  source of heat and its application to metal transfer. ASME Trans., 43 , 849-866.
Singh,  R.  (2016). Applied  Welding  Engineering. Oxford: Butterworth-Heinemann.
Stenbacka,  N.  (2013).  On  arc  efficiency  in  gas tungsten arc welding. Soldagem & Inspeção,
18 (4), 380-390.
http://dx.doi.org/10.1590/S0104-
92232013000400010 Suharto, A., Risanti, D. D., & Sekartedjo. (2019). On welding  gray  cast  iron  using  SMAW  and GTAW process. AIP Conference Proceedings, 2088 , 060002-1-10.
https://doi.org/10.1063/1.5095350
Winiczenko,  R.,  Kaczorowski,  M.,  &  Skibicki,  A. (2018).  The  microstructures,  mechanical properties, and temperature distributions in nodular  cast  iron  friction-welded  joint. J Braz.  Soc.  Mech.  Sci.  Eng.,  40 ,  347. https://doi.org/10.1007/s40430-018-1261-y
Murti Marinah 1) , Doty Dewi Risanti 1*) , Irwansyah,  Detak Yan Pratama 1) , Asep Suharto 2) , Muhammad Fadila 1) 1 Departemen Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri dan Rekayasa Sistem, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
2 Maintenance & Utilities Dept. PT. Vale Indonesia TbK, Sorowako Email: risanti@ep.its.ac.id *) Nomor Telp : +62 5947188 Asal Negara: Indonesia