## The Effect of Heat Input on the Tensile Strength and Toughness of welded SS400 Materials by SMAW

## Alvi Syahri, Syukran, Adi Saputra Ismy, Al Fathier, Fadhlurrahman, Amrizal
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Lhokseumawe, Lhokseumawe, Indonesia *Corresponding author: syukran@gmail.com
Article Processing Dates: Received 2022-12-27 Accepted 2023-06-27 Available online 2023-06-30
Keywords: SS-400
SMAW
Welding current Tensile strength
Toughness

## Abstract
Joint materials using welding require the correct stages, starting from the design stage to the processing stage. The design stage starts from the selection of the type of welding, to the  selection  of  the  seam  angle  used.  Meanwhile,  at  the  processing  stage,  the  current strength will be selected according to the processing position. The purpose of this study was to determine the effect of welding heat input on the mechanical strength of SS-400 steel  in  SMAW  welding.  In  this  study  the  material  used  was  SS-400  with  current variations of 90 A and 100 A. The results showed that the welding current affected the tensile  strength  and  toughness  of  the  material.  The  welding  current  of  100  A  has  the highest tensile strength and toughness, and then 90 A which has the lowest tensile strength and toughness, while the strain that occurs at current 90A is 13.53%, and the strain that occurs at current 100 A is 12.07%.

## 1. Pendahuluan
Kemajuan  dunia  industri  yang  semakin  pesat  diiringi oleh pembangunan fasilitas produksi yang kuat dan kokoh merupakan  syarat  utama  dalam  dunia  kontruksi  industri. Salah  satu  proses  yang  berperan  utama  dalam  proses kontruksi  industri  adalah  pengelasan.  Pengelasan  telah memegang peran yang sangat penting untuk menghasilkan kontruksi yang kuat dan berumur lama[1].
Proses  pengelasan  secara  umum  merupakan  proses penyambungan  dua  buah  atau  lebih  logam  dasar  ( base metal )  dengan  cara  pencairan  material  tersebut  melalui masukan  panas  ( heat  input ).  Kekuatan  sambungan pengelasan  merupakan  syarat  utama  dalam  proses pengelasan untuk semua penggunaan proses pengelasan.
Dalam  bidang  pengelasan  las  proses  SMAW adalah  salah  satu  las  proses  yang  sangat  dominan dipakai dilapangan.  Selain  mudah  dalam  pelaksanaannya  juga harga  ekonomisnya  lebih  baik  dibanding  las  proses lainnya[2].
Las SMAW ( Sheilded Metal Arc Welding )  atau las elektroda terbungkus adalah cara pengelasan yang banyak digunakan  saat  ini.  Pengelasan  SMAW  menggunakan kawat  elektroda  logam  yang  dibungkus  dengan  fluks. Busur  listrik  terbentuk  di  antara  logam  induk  dan  ujung elektroda.  Karena panas  dari busur  ini  maka  logam  induk dan  ujung  elektroda  tersebut  mencair  dan  kemudian membeku bersama.
Prinsip pengelasan dengan busur nyala listrik ini adalah dua  metal  yang  konduktif  dialiri  arus  listrik  yang  cukup padat  ( dense )  dengan  tegangan  yang  relatif  rendah  akan menghasilkan  loncatan  elektron  yang menimbulkan panas sangat tinggi yang dapat mencapai 5000 o C sehingga dengan mudah/cepat dapat mencairkan kedua metal tersebut. Arus listrik  yang  dipakai  berkisar  antara  10~500  Ampere  AC atau  DC  tergantung  keperluannya.  Untuk  keselamatan kerja, maka tegangan yang dipakai hanya 23~40 volt saja,
sedangkan untuk pencairan pengelasan dipakai arus listrik hingga 500A. Secara umum berkisar antara 80~200 mpere.
Masukan  panas  ( heat  input )  adalah  besarnya  energi panas  tiap  satuan  panjang  las  ketika  sumber  panas bergerak[3]. Heat  input merupakan  salah  satu  faktor penentu  dalam  proses  pengelasan.  Penggunaan  heat  input sangat  mempengaruhi  kekuatan  dan  kekerasan  hasil pengelasan. Heat Input yang berlebihan dapat mengakibatkan  degradasi  pada  distribusi  panas  pada material  sehingga  dapat  mengakibatkan  potensi  material memiliki struktur akhir martensit lebih tinggi. Oleh karena itu pengawasan dalam besar atau kecilnya heat input harus diperhatikan sebelum proses pengelasan berlangsung.
Perubahan  bentuk  merupakan  salah  satu  jenis  cacat yang dihasilkan dari kurang tepatnya nilai heat input yang digunakan  selama  pengelasan.  Perubahan  bentuk  yang terjadi dalam pengelasan tidak hanya mengurangi ketelitian ukuran  dan  penampakan  luarnya  saja  tetapi  juga menurunkan  kekuatannya.  Bila  perubahan  bentuk  ini terjadi,  untuk  meluruskannya  kembali  diperlukan  waktu dan kerja yang cukup banyak karena itu sedapat mungkin harus dihindari dengan menentukan prosedur lebih dahulu sebelum  pelaksanaan  pengelasan.  Dalam  penentuan prosedur  yang  tepat  dalam  pelaksanaan  pengelasan  hal pertama  yang  harus  diperhatikan  dalam  mencegah terjadinya  perubahan  bentuk  selama  pengelasan  adalah dengan mengurangi masukan panas pada logam lasan (heat input)  /memperhatikan  nilai  heat  input  yang  sesuai  untuk proses pengelasan berlangsung.
Untuk menemukan parameter yang sesuai tentang kasus ini, sudah dilakukan berbagai penelitian[4][3][6][7][8].
Berdasarkan permasalahan di atas, tujuan dari penelitian ini  adalah  menganalisis  pengaruh heat  input terhadap kekuatan  tarik  dan  ketangguhan  material  SS400  hasil pengelasan SMAW dengan menggunakan elektroda E7018.

## 2. Metode penelitian
Material  yang  digunakan  adalah  SS400  yang merupakan material jenis mild steel . Jenis pengelasan yang digunakan proses las SMAW dengan elektroda jenis E7018 diameter 3,2mm. Variasi arus pengelasan yang digunakan adalah 90A dan 100A.
Kampuh  yang  digunakan  jenis  kampuh  V  terbuka, jarak celah pelat 3 mm, tinggi akar 3 mm dan sudut kampuh 35 o . Selanjutnya dilakukan
proses
pengelasan menggunakan  proses  las  SMAW  ( Shielded  metal  arc welding) dengan polaritas DCEP ( Direct current electrode positif ).  Tahap  awal  dilakukan  pengelasan  pada root atau root pass , ini merupakan pengelasan layer pertama. Setelah secara visual diamati tidak ada cacat las dilanjutkan dengan pengelasan hot pass, selanjutnya dilakukan pengisian atau filler pass dan tahap terakhir dilas penutup atau caping.
Setelah  proses  pengelasan  selanjutnya  dilakukan pemeriksaan secara visual terhadap hasil pengelasan untuk melihat  adanya  cacat  pengelasan,  hasil  pemeriksaan  tidak di  temukan  cacat  pengelasan  sehingga  dilanjutkan  ke pengujian  sifat  mekanik  dengan  di  awali  pembuatan specimen uji.
Uji sifat mekanik pertama adalah uji Tarik. Pengujian uji  tarik  digunakan  untuk  mengukur  ketahanan  suatu material  terhadap  gaya  statis  yang  diberikan  secara lambat[9], [10]. Sifat mekanik yang dapat diketahui adalah kekuatan dan elastisitas dari logam tersebut. Nilai kekuatan dan elastisitas dari material uji dapat dilihat dari kurva hasil uji  tarik.  Selain  kekuatan  dan  elastisitas,  sifat  lain  yang dapat  diketahui  adalah  kekuatan  luluh  dari  material, keuletan dari material, dan kelentingan dari suatu material.
Ada  banyak  hal  yang  bisa  didapatkan  dari  uji  tarik, dengan memberikan gaya tarik pada material sampai putus maka  semua  susunan  struktur  material  bisa  diketahui dengan  jelas  sehingga  dapat  menentukan  kualitas  dari material tersebut. Untuk Acceptance Criteria dari Uji Tarik ( Tensile  test )  sendiri  mengacu  pada  nilai  kekuatan  tarik pada  sertifikat  material  atau  bahan  tersebut,  apabila  nilai dari  Uji  Tarik  kurang  dari  nilai  kekuatan  tarik  pada sertifikat  material  atau  bahan  maka  material  atau  bahan tersebut  tidak  bisa  diterima.  Sedangkan  untuk  spesimen hasil pengelasan mengacu pada ASME Sec IX, AWS dan API  tergantung  dari  produk  dan  jenis  material.  Bentuk spesimen benda uji tarik mengacu standar ASTM E8
Uji sifat mekanik lainnya adalah uji impak. Uji impak merupakan  salah  satu  metode  yang  digunakan  untuk mengetahui  kekuatan,  kekerasan,  serta  keuletan  material. Oleh  karena  itu  uji  impak  banyak  dipakai  dalam  bidang menguji  sifat  mekanik  yang  dimiliki  oleh  suatu  material tersebut[11],  [12].  Pengujian  ini  bertujuan  untuk  menguji kecenderungan  logam  untuk  patah  getas  dan  untuk mengukur  energi  impak  atau istilah  lainnya  disebut notch toughness (mengukur ketangguhan logam terhadap adanya takik)  Teknik  charpy  V-noch  (CVN)  adalah  teknik  yang paling  banyak  digunakan.  Tujuan  lainnya  dari  pengujian impact test ini adalah mengetahui pengaruh beban dampak terhadap  sifat  mekanik  material,  mengetahui  standar
prosedur  pengujian  dampak,  mengetahui  faktor  yang memengaruhi  kegagalan  material  dengan  beban  dampak, dan  mengetahui  kemampuan  material  terhadap  beban dampak dari berbagai temperatur yang di ukur.
Gambar 1. Dimensi spesimen uji impak

## 3. Hasil dan Pembahasan
Heat  input pada  las  sangat  mempengaruhi  struktur fase,  ketangguhan,  laju  pendinginan  serta  distorsi. Komposisi kimia pada weld zone (WZ) dan level heat input secara  langsung  berakibat  pada  struktur  mikro  dan ketangguhan  las[13]. Heat  input akan  mempengaruhi  laju pendinginan  las,  yang  berakibat  pada  perubahan  struktur mikro  pada  las[14].  Masukan  panas  atau heat  input (HI) yang  digunakan  untuk  melakukan  sambungan  las  berasal dari busur listrik.  Besaran tegangan busur las (V) dan arus busur  las  (I)  merupakan  parameter  yang  dapat  diatur  dari mesin  las.  Sedangkan  kecepatan  las  (v)  dapat  diatur  dari peralatan welding  rig .  Berdasarkan  hasil  perhitungan diperoleh data heat input seperti pada tabel 1.
Table 1. Hasil dari heat input pengelasan
Setelah  proses  pengelasan  dilakukan  uji  tarik  dan impak.  Spesimen  hasil  pengelasan  berdasarkan  hasil pengamatan  secara  visual  tidak  ditemukan  cacat  las sehingga  dilakukan  pengujian  tarik  seperti  pada  pada Gambar 2.
Lokasi putus uji tarik
Gambar 2. Spesimen setelah pengujian tarik
Hasil  pengujian  tarik  terjadi  putus  material  pada daerah  logam  induk  atau base  metal .  Berdasarkan  lokasi terjadinya  putus  dapat  dinyatakan  bahwa  kekuatan sambungan  pada  daerah weld  metal dan  HAZ  lebih  kuat dari  daerah  pada  daerah  logam  induk  atau base  metal. Padahal  daerah  HAZ  atau Heat  Affected  Zone ini merupakan daerah titik kritis pada area pengelasan namun kekuatannya masih lebih kuat dari logam induk.
Heat  Affected  Zone (HAZ)  adalah  area  pada  logam yang  mengalami  perubahan  sifat  yang  disebabkan  oleh paparan panas dengan temperatur yang sangat tinggi selama proses pengelasan[15]. Area HAZ pada pengelasan terletak diantara area pengelasan dan area logam induk yang tidak terpapar panas. Pengaruh atau efek HAZ dalam pengelasan khususnya  sangat  dipertimbangkan  karena  berpengaruh terhadap  sifat  logam  dan  kualitas  akhir  produk.  Area pengelasan  terdiri  dari weld  metal dan HAZ. Ini menunjukkan  bahwa  parameter  yang  dilakukan  sudah sesuai  prosedur  dimana  area  pengelasan  lebih  kuat  dari logam induk.
Hasil pengujian tarik seperti pada tabel 1 dan gambar 3. Nilai uji tarik tertinggi adalah pada specimen HI-2 atau heat  input 2  dengan  arus  100A  sebesar  48,45  kgf/mm 2 . Tetapi  elongasi  yang  terbesar  pada  arus  90A  sebesar 13,53%.  Sedangkan  nilai  uji  tarik  terendah  adalah  pada spesimen HI-1 atau heat input 1 dengan arus 90A sebesar 47,59 kgf/mm 2 , dan elongasi yang terendah pada arus 100A sebesar 12,07%.
Tabel 2. Hasil Pengujian Tarik
Gambar 3. Nilai uji tarik
Pengujian sifat mekanik selanjutnya adalah melaukan uji  impak  seperti  pada  gambar  4  untuk  mempelajari  pola patahan  spesimen  uji,  apakah  getas  ( brittle  fracture )  atau patah  ulet  ( ductile  fracture )  atau  kombinasi  keduanya. Granular fracture atau cleavage fracture adalah permukaan patah  getas  berkilat  dan  berbutir  sedangkan  patah  ulet tampak  lebih  buram  dan  berserabut  disebut  juga fibrous fracture atau shear fracture.

## Gambar 4. Perpatahan uji impact
Pada  pengujian  ini  terjadi  patahan  didaerah  lasan, maksud  dilakukan  pengujian  ini  dititik  beratkan  pada kekuatan  pengelasan  pada  material  Baja  SS400  terhadap ketangguhan impak
Dari hasil pengujian yang dilakukan perpatahan pada spesimen uji impak pada arus pengelasan 90 A dan 100 A terjadi patahan ulet. Patah ulet ini ditandai dengan adanya serat-serat pada sekitar patahan, berwarna kelabu dan juga bentuk patahannya terdapat pengecilan pada daerah patahan tersebut seperti pada gambar 4.
Patahan uji impak

## Tabel 2. Harga uji impact
Gambar 5. Nilai uji impak
Berdasarkan nilai dari grafik gambar 5 bahwa nilai impak  terbesar  pada  specimen  HI  100A  sebesar  1.117 joule/mm 2 dan  terendah  pada  HI  90A  sebesar  0.908 joule/mm 2 .  Ini  menunjukkan  ada  penurunan  nilai  impak dari specimen HI 100A ke HI 90A.
Dilihat dari hasil yang diperoleh bahwa heat input pada pengelasan sangat berpengaruh terhadap nilai impak, dimana baja karbon yang dilas dengan arus yang yang besar maka  harga  impaknya  juga  tinggi  sedangkan  baja  karbon yang dilas dengan arus pengelasan yang agak sedikit rendah atau  sebesar  90A  terjadi  penurunan  harga  impak dibandingkan  dengan  arus  100A.  Jadi  semakin  kecil  arus yang  diberikan  maka  material  semakin  ulet.  Berdasarkan nilai  ini  menunjukkan  bahwa  semakin  besar  arus materialnya semakin ulet.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  pengujian  dapat  disimpulkan  bahwa bahwa heat  input pada  pengelasan  sangat  berpengaruh terhadap nilai kekuatan dan ketangguhan material baik nilai kekuatan tarik maupun impak Nilai uji tarik tertinggi adalah pada  specimen  HI-2  atau  heat  input  2  dengan  arus  100A sebesar 48,45 kgf/mm2. Tetapi elongasi yang terbesar pada arus  90A  sebesar  13,53%.  Sedangkan  nilai  uji  tarik terendah  adalah  pada  spesimen  HI-1  atau  heat  input  1 dengan arus 90A sebesar 47,59 kgf/mm2, dan elongasi yang terendah  pada  arus  100A  sebesar  12,07%.  Nilai  impak terbesar pada specimen HI 100A sebesar 1.117 joule/mm 2 dan  terendah  pada  HI  90A  sebesar  0.908  joule/mm 2 .  Ini menunjukkan ada penurunan nilai impak dari specimen HI 100A ke HI 90A.

## Referensi
[1] M. Sochib and M. Afif, “ANALISA PERBANDINGAN PENGELASAN SMAW DENGAN  VARIASI  AMPERE  TERHADAP SIFAT  MEKANIS,” Wahana  Tek. ,  vol.  5,  no.  1, 2016.
[2] A.  Azwinur  and  M.  Muhazir,  “Pengaruh  jenis elektroda  pengelasan  SMAW  terhadap  sifat mekanik material SS400,” J. POLIMESIN , vol. 17, no. 1, pp. 19–25, Feb. 2019, doi: 10.30811/JPL.V17I1.870. [3] L.  Quintino,  O.  Liskevich,  L.  Vilarinho,  and  A. Scotti, “Heat input in full penetration welds in gas metal arc welding (GMAW),” Int.  J.  Adv.  Manuf. Technol. , vol. 68, no. 9, pp. 2833–2840, 2013.
[4] 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. [5] A. Azwinur and Z. Zulkifli, “KAJI EKSPERIMENTAL PENGARUH BAFFLE PADA  ALAT  PENUKAR  PANAS    ALIRAN SEARAH DALAM UPAYA OPTIMASI SISTEM
PENGERING,” SINTEK J. J. Ilm. Tek. Mesin , vol. 13, no. 1, pp. 8–14, Jun. 2019, doi: 10.24853/SINTEK.13.1.8-14.
[6] D.  Peng,  J.  Shen,  Q.  Tang,  C.  Wu,  and  Y.  Zhou, “Effects  of  aging  treatment  and  heat  input  on  the microstructures and mechanical properties of TIG- welded 6061-T6 alloy joints,” Int. J. Miner. Metall. Mater. , vol. 20, no. 3, pp. 259–265, 2013.
[7] A. Assar, B. Nami, N. B. M. Arab, and I. Khoubrou, “Effect  of  heat  input  of  TIG  repair  welding  on microstructure  and  mechanical  properties  of  cast AZ91 magnesium alloy,” Weld. World , vol. 65, no. 6, pp. 1131–1143, 2021.
[8] H.  Hernández-Belmontes,  I.  Mejía,  V.  García- García, and C. Maldonado, “Heat Input Effect on the Microstructure of Twinning-Induced Plasticity (TWIP)  Steel  Welded  Joints  Through  the  GTAW Process,” MRS Adv. , vol. 3, no. 64, pp. 3949–3956, 2018.
[9] R. Jha  and A. K. Jha, “Investigating the  effect of welding current on the tensile properties of SMAW welded mild steel joints,” Int. J. Eng. Res. , vol. 3, no. 4, 2014.
[10] A. Azwinur and S. Syukran, “Effect of variation of TIG  welding  current  on  tensile  strength  and hardness of aluminium A-6061,” J. Weld. Technol. , vol. 3, no. 1, pp. 17–22, 2021.
[11] R. Kumar, J. S. Chohan, R. Goyal, and P. Chauhan, “Impact  of  process  parameters  of  resistance  spot welding  on  mechanical  properties  and  micro hardness of stainless steel 304 weldments,” Int. J. Struct. Integr. , 2020.
[12] Z.  Fakri,  B.  Bukhari,  and  N.  Juhan,  “Analisa Pengaruh  Kuat  Arus  Pengelasan  Gmaw  Pada Pengujian  Impak  Baja  AISI  1050,” J.  Weld.
Technol. , vol. 1, no. 1, pp. 5–10, 2019.
[13] X. Wenkai et al. , “Effect of heat input on cryogenic toughness of 316LN austenitic stainless steel NG- MAG welding joints with large thickness,” Mater. Des. , vol. 86, pp. 160–167, 2015.
[14] O.  Popović,  C.  Prokić,  R.  M.  Burzić,  and  Z. Milutinović, “The effect of heat input on the weld
metal  toughness  of  surface  welded  joint,”  in 14th International Research/Expert Conference, Mediterranean Cruise , Citeseer, 2010, p. 64.
[15] Y.-C.  Chen,  D.  Bakavos,  A.  Gholinia,  and  P.  B. Prangnell,  “HAZ  development  and  accelerated post-weld natural ageing in ultrasonic spot welding aluminium  6111-T4  automotive  sheet,” Acta Mater. , vol. 60, no. 6–7, pp. 2816–2828, 2012.