Modus Pelunakan dan Pengerasan HAZ pada Manual GMAW Welded Joint
Yurianto a,b,* , Pratikto b , Rudy Soenoko b , Wahyono Suprapto b
a Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudarto SH, Semarang, Jawa Tengah, Indonesia, 50275
b Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya
Jl. Mayjend Haryono 167, Malang, Jawa Timur, Indonesia, 65145
* E-mail: yurianto@undip.ac.id

## Abstract
Manual welding of gas metal arc welding widely used in traditional manufacturing industries. The end of the welding process produces the desired  welding product. In steel of the same thickness and type, and the same welding method but different operators produce different weld strengths. The uniformity of  welding  products  between  one  and  another  operator  obtain  by  welding  procedure  specification. However, this procedure does not guarantee the strength of the connection even though the operator is different. Welding parameters will affect the dimensions of the area affected by heat. Welding parameters will affect the dimensions of the area affected by heat. The wider the heat of the heat area will reduce the  strength  of  the  welded  joint.  The  statement  of  the  problem  in  this  study  is  "how  to  reduce  the dimensions of heat-affected areas affected by the weld metal freezing process." State of the art from this study is an analysis of softening of heat-affected areas involving freezing of weld metal. The purpose of this study was to find the cause of softening in the heat affected area of the manual gas metal welding. The results of the study were standard hardness and heat-treated welded joints. The results of the study were  standard  hardness  and  heat-treated  welded  joints. The  heat  treatment  parameter  to  obtain  the highest hardness of HAZ.
Keyword: carbon, crack, current, heat, conduction

## Abstrak
Las  manual gas metal arc welding banyak digunakan dalam  industri  manufaktur  konvensional. Akhir proses  pengelasan  menghasilkan  produk  las  yang  diinginkan.  Pada  baja  dengan  tebal  dan  jenis  yang sama,  dan  metode  pengelasan  yang  sama  tetapi  operator  berbeda  menghasilkan  kekuatan  las  yang berbeda.  Keseragaman  produk  las  antara  satu  dan  operator  lain  dapat  diperoleh  dengan welding procedure  specification .  Namun  prosedur  ini  tidak  menjamin  kekuatan  sambungan  sama  meskipun operator  berbeda.  Kekuatan  daerah  terpengaruh  panas  tergantung  pada  parameter  las  yang  digunakan seperti diameter elektroda; arus listrik; tegangan  listrik, kecepatan pengelasan;  logam tebal dan panas masuk.  Selain  itu,  perlu  dipertimbangkan  unsur  kimia  baja  yang  dilas.  Parameter  pengelasan  akan mempengaruhi  dimensi  daerah  terpengaruh  panas.  Semakin  lebar  daerah  terpengaruh  panas  akan menurunkan  kekuatan  sambungan  las.  Pernyataan  masalah  dalam  penelitian  ini  adalah  "bagaimana menurunkan  dimensi  daerah terpengaruh panas  yang dipengaruhi oleh proses pembekuan  logam  las." State of the art dari penelitian ini adalah analisis pelunakan daerah terpengaruh panas dengan melibatkan pembekuan logam las. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari penyebab terjadinya pelunakan dalam daerah terpengaruh panas sambungan las gas metal arc welding manual. Hasil penelitian adalah kekerasan  standard  dan heat  treated  welded  joint .  Parameter  perlakuan  panas  untuk  mendapatkan kekerasan HAZ tertinggi.
Kata kunci: carbon, retak, arus, panas, konduksi

## 1. Pendahuluan
Pengelasan manual menggunakan gas metal arc welding – GMAW banyak digunakan didalam industri manufaktur konvensional.  Adapun akhir  dari  proses pengelasan  ini  menghasilkan produk las  sesuai dengan  yang diinginkan. Pada pengelasan baja dengan  tipe, metode dan tebal baja yang dilas dengan pengelasan yang sama menghasilkan kekuatan las yang berbeda dengan operator las berbeda. Keseragaman produk las antara satu dan operator lain dapat diperoleh dengan welding procedure specification – WPS , namun umumnya parameter yang dicantumkan dengan rentang nilai. WPS pun tidak  menjamin  kekuatan  sambungan  sama  meskipun  operator  berbeda,  hal  ini  disebabkan  penggunaan  parameter  las tidak secara eksplisit. Kekuatan daerah terpengaruh panas ( heat-affected zones - HAZ ) tergantung pada parameter las yang digunakan seperti diameter elektroda; arus listrik; tegangan listrik, kecepatan pengelasan; logam tebal dan panas masuk. Selain parameter las perlu dipertimbangkan juga unsur kimia baja yang dilas, unsur kimia yang tidak sesuai dengan panas busur akan memicu keretakan panas. Parameter pengelasan akan mempengaruhi dimensi HAZ , semakin lebar akan
menurunkan kekuatan sambungan las.
Pengelasan baja kekuatan dan kekerasan tinggi seperti Quenched and Tempered Steel – Q&T Steel sering menemui masalah,  salah  satunya  adalah  heterogenitas  struktur  mikro  berupa  pelunakan  pada HAZ .  Pernyataan  masalah  dalam penelitian  ini  adalah  "bagaimana  menurunkan  dimensi  daerah  terpengaruh  panas  yang  dipengaruhi  oleh  proses pembekuan  logam  las." State of  the art dari penelitian  ini adalah analisis pelunakan daerah terpengaruh panas dengan melibatkan pembekuan logam las.
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  mencari  penyebab  terjadinya  pelunakan  dalam  daerah  terpengaruh  panas sambungan las gas metal arc welding manual. Untuk mencapai tujuan tersebut dilakukan: 1) Menginterpretasikan struktur mikro dan kekerasan sambungan  las.  2) Menginterpretasikan dimensi daerah terpengaruh panas oleh parameter las. 3) Menginterpretasikan tegangan sisa yang timbul pada sambungan las.
Bahan habis pakai dan proses pengelasan adalah dua faktor utama yang mempengaruhi struktur mikro sambungan las Q&T Steel ;  heterogenitas struktur mikro mempengaruhi kinerja balistik sambungan  las [1].  Lebar HAZ meningkat dengan meningkatnya panas masuk, tetapi sudut kontak menurun [2]. Sementara HAZ sendiri terdiri dari coarse grain HAZ -  CGHAZ , fine  grain  HAZ -  FGHAZ dan intercritical  HAZ  -  ICHAZ . CGHAZ menunjukkan  sedikit  peningkatan kekerasan dan mode campuran/ patahan microvoid perpaduan, tetapi ketangguhannya sebanding dengan logam dasar [3] dan  shown  in  Figure  1  [4]. CGHAZ menunjukkan  kekerasan  sedikit  naik  dan  modus  campuran  aduk/modus  patahan campuran microvoid, tetapi ketangguhan sebanding dengan logam dasar [3].
Gambar 1 . Siklus pendinginan dengan perbedaan waktu t 8/5
CGHAZ dekat dengan garis fusi, daerah ini mencapai temperatur maksimum yang memberikan peleburan karbida logam dasar dan  pertumbuhan  butiran [5].  Sementara impact dan ketangguhan patah  meneningkat significan dengan  naiknya temperature quenching [6]. Kombinasi optimal ukuran butir austenit dan karbida halus meningkatkan penyerapan energi, dan ukuran butir austenit halus sebelumnya diperoleh pada suhu rendah austenit, dan endapan karbida halus pada suhu temper rendah [7]. Energi yang diserap tergantung pada persentase carbon sampai batas tertentu; baja dengan kandungan carbon  lebih  rendah  memiliki  energi  yang  diserap  tertinggi  [8].  Takik  menyebabkan  lebih  banyak  kerusakan  pada spesimen yang dilas, dan tidak ada peningkatan pada Luders band pada lasan selama produksi [9]. Penggunaan elektroda akan  berpengaruh  pada  heat  input,  elektroda  berdiameter  lebih  besar  akan  meningkatkan  lebar weld  pool yang  secara langsung meningkatkan lebar HAZ seperti ditunjukkan pada persamaan konduksi berikut [10] dan [11].
𝑦 = ( 1 𝑇 𝑃 −𝑇 𝑂 − 1 𝑇 𝑚 −𝑇 𝑂 ) × ( 𝐻 𝑛𝑒𝑡 (2𝜋𝑒) 0.5 ×𝜌×𝐶×𝑡 ) (1)
𝑯 𝒏𝒆𝒕 = 𝟔𝟎×𝑬×𝑰 𝟏𝟎𝟎𝟎×𝑺 (2)
Dalam hal ini: y adalah lebar HAZ . Tp = Temperatur puncak las. To = temperatur awal plat yang dilas. Tm = temperatur leleh. H net = Panas bersih. E = voltage . I = arus. ρ = kerapatan plat. C = kapasitas panas plat. T = tebal plat.
Tegangan  sisa  terjadi  akibat  pembekuan  selesai  pengelasan,  akhir  pembekuan  menyebabkan  perapatan  struktur  mikro yang menyebabkan compression residual stress seperti ditunjukkan pada Gambar 2 - 4 [12].

## 2. Material dan metode penelitian
Material yang digunakan adalah sambungan las KSW 500 Steel hasil pengelasan Manual Gas Metal Arc Welding – MGAW . Adapun WPS yang digunakan seperti ditunjukkan dalam Tabel 1.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil pengujian meliputi: uji kekerasan pada KSW 500 Steel ditunjukkan pada Gambar 5. Pengamatan struktur mikro pada KSW 500 Steel ditunjukkan pada Gambar 6 – 10.
Yurianto, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 2 (April 2019) Hal. 127-133
Gambar 2. Tegangan sisa Axial
Gambar 3. Tegangan sisa normal
Gambar 4. Tegangan sisa transversal
Tabel 1. Spesifikasi prosedur pengelasan Base metal KSW500 to KSW500 Filler metal AWS E71-T1 Wire diameter 1.2 SFA A5.20 Thick 10 - 10 Welding GMAW
Technique String
Electric Polarity DC+
Gas shielded CO 2
Amperage (145-175) A Voltage (22-23) A PH
150 o C Interpass (130 – 150) o C PWHT 150 o C Speed Speed: 4.5-5.0 (mm/sec) Position Position 1 G
a. Kekerasan Standard KSW 500 Steel welded joint
Sambungan las dari Standard KSW 500 Steel welded joint (sebelum dan sesudah mengalami water quenching heat treatment ) ditunjukkan pada Gambar 5. Distribusi kekerasan adalah: base metal - BM (430 VHN ), HAZ (378 VHN ), fusion line - FL (219 VHN ) dan weld metal -WM (190 VHN ). WM memiliki kekerasan terendah karena adanya penggetasan dilokasi di weld center line .

## b. Kekerasan Heat Treated KSW 500 Steel welded joint
Pada quench 750 o C , kekerasan HAZ (494.25 VHN ) lebih tinggi dibanding BM (451 VHN ), FL (446 VHN ) dan WM (229 VHN ). Pada quench 800 o C , BM memliki kekerasan paling tinggi (554 VHN ) dibanding HAZ (538 VHN ), FL (460 VHN ) dan WM (278 VHN ). Pada quench 850 o C , BM memiliki kekerasan paling tinggi (578 VHN ) dibanding, HAZ (555 VHN ), FL (456.50 VHN )  dan WM (252 VHN ).  Pada quench 900 o C , BM memliki  kekerasan  paling  tinggi  (555 VHN ) dibanding HAZ (551 VHN ), FL (533 VHN ) dan WM (242 VHN ).
Gambar 5. Kekerasan pada sambungan las
(a) Struktur makro sambungan las
(b) BM (430 VHN ) (c) HAZ (378 VHN ) (d) FL (219 VHN ) (e) WM (190 VHN ) Gambar 6. Sruktur mikro sambungan las KSW 500 standard . Etched 3% HNO 3
e. Sruktur mikro sambungan las KSW 500 standard . Etched 3% HNO 3 Gambar 6(a) menunjukkan struktur makro yaitu 1 HAZ ; 2 Akar; 3 retak; 4 batas antara akar  – lapisan pertama; 5 batas antara BM dan HAZ ; 6 batas antara lapis pertama dan kedua; 7 WM dan 8 keropos antara HAZ - WM . Perbedaan intensitas gambar menunjukkan ukuran struktur mikro masing-masing daerah tidak sama (ukuran butiran yang berbeda).
Gambar  6(b)  didominasi  struktur  martensite.  Gambar  6(c)  menunjukkan  ukuran  struktur  mikro HAZ lebih  halus dibanding BM , FL dan WM (strukturnya  kasar  dan  berpola  Witmannstaeten)  daerah  sambungan  las  yang  strukturnya berbeda sangat rentan terhadap retak (terutama pada interface). Gambar 6(d) menunjukkan ukuran struktur mikro yang kasar percampuran dengan sedikit WM . Gambar 6(e) menunjukkan pola struktur kasar yang bersifat rapuh.
f. Struktur mikro sambungan las KSW 500 setelah Water Quenched 750 o C. Etched 3% HNO 3
Gambar 7(a) (sama seperti Gambar 7). Batas antara pass pertama dan kedua tidak kelihatan, demikian juga dengan batas HAZ dan BM .  Batas  antara BM dan WM masih  kelihatan  (namun  dalam  gambar  nampak  blur,  artinya  terjadi penghalusan butiran). Terjadi perapatan retak retak antara HAZ - WM . Gambar 7(b-e) menunjukkan struktur mikro masing- masing daerah memiliki texture yang berbeda. Karena re-austenitisasi terjadi transformasi austenite ke martensite, dan texture  dan  ukuran BM dan HAZ berbeda.  Ukuran  struktur  mikro WM lebih  besar  dari BM , HAZ dan FL .  Struktur Witmanstatten  dalam HAZ terbentuk  akibat  pertumbuhan  butir  fasa  baru  dalam  batas  butir BM ,  secara  umum meningkatkan kekerasan dan kegetasan logam. Terjadi peningkatan kekerasan HAZ dibanding BM , FL dan WM .
g . Struktur mikro sambungan las KSW 500 setelah Water Quenched 800 o C. Etched 3% HNO 3 Gambar 8(a) (sama seperti Gambar 7). Secara makro batas antara WM dan HAZ , keretakan (3) dan pengeroposan (8)
(a) Struktur makro sambungan las
(b) BM (451 VHN ) (c) HAZ (494.25 VHN ) (d) FL (446 VHN ) (e) WM (299 VHN ) Gambar 7. Struktur mikro sambungan las KSW 500 setelah Water Quenched 750 o C. Etched 3% HNO 3
(a) Struktur makro sambungan las.
(b) BM (554 VHN ) (c) HAZ (538 VHN ) (d) FL (460 VHN ) (e) WM (278 VHN ) Gambar 8. Struktur mikro sambungan las KSW 500 setelah Water Quenched 800 o C. Etched 3% HNO 3 tidak kelihatan. Artinya setelah quench 800 o C struktur menjadi lebih halus. Gambar  8(b),  struktur  didominasi  oleh  martensite.  Struktur  mikro HAZ lebih  halus dibanding BM . FL (Gambar  8d) merupakan perbatasan antara HAZ dan WM , sementara struktur keduanya berbeda. Pada Gambar 8(e) menunjukkan WM dengan struktur  witmansttaten,  dan  ukuran  struktur  mikronya  lebih  lebih  kasar  dibanding HAZ .  Adanya  perbedaan  ukuran  butiran menunjukkan sifat mekanis (terutama kekerasan) yang berbeda, perbedaan ini memacu keretakan antar muka HAZ dan WM . Gambar 8(b-e) menunjukkan struktur mikro masing-masing daerah memiliki texture yang berbeda.
h. Struktur mikro sambungan las KSW 500 setelah Water Quenched 850 o C . Etched 3% HNO 3 . Gambar 9(a) (sama seperti Gambar 7). Secara makro batas antara WM dan HAZ , keretakan (3) dan pengeroposan (8) tidak kelihatan. Artinya setelah quench 850 o C struktur menjadi lebih halus dibanding sebelumnya. Gambar  9(b),  struktur  didominasi  oleh  martensite.  Struktur  mikro HAZ hampir  sama  dengan BM . FL (Gambar  9(d)) merupakan perbatasan antara HAZ dan WM , sementara struktur keduanya berbeda. Gambar 9(e) menunjukkan WM dengan
(a) Struktur makro sambungan las.
(b) BM (578 VHN ) (c) HAZ (555 VHN ) (d) FL (456,50 VHN ) (e) WM (252 VHN ) Figure 9. Struktur mikro sambungan las KSW 500 setelah Water Quenched 850 o C . Etched 3% HNO 3 .
(a) Struktur makro sambungan las.
BM (555 VHN ) HAZ (551 VHN ) FL (533 VHN ) WM (242 VHN ) Figure 10. Struktur mikro sambungan las KSW 500 setelah Water Quenched 9 00 o C . Etched 3% HNO 3 .
struktur witmansttaten, dan ukuran struktur mikronya lebih kasar dari BM dan HAZ . Pada quench 850 o C kelihatan bahwa secara keseluruhan daerah menjadi lebih halus.
i. Struktur mikro sambungan las KSW 500 setelah Water Quenched 9 00 o C . Etched 3% HNO 3 .
Gambar 10(a) (sama seperti Gambar 7). Secara makro batas antara WM dan HAZ , keretakan (3) dan pengeroposan (8) tidak kelihatan. Artinya setelah quench 850 o C struktur menjadi lebih halus dibanding sebelumnya.
Gambar 10b, struktur didominasi oleh martensite. Struktur mikro HAZ sama dengan BM . FL (Gambar 10(d)) merupakan perbatasan antara HAZ dan WM , dan struktur keduanya berbeda. Gambar 10e menunjukkan WM dengan struktur witmansttaten, dan ukuran struktur mikronya lebih kasar dari BM dan HAZ . Pada quench 900 o C kelihatan bahwa secara keseluruhan daerah menjadi lebih halus dan sedikit lebih kasar dibanding quench 850 o C .
Yurianto, dkk. / ROTASI, Vol. 21 No. 2 (April 2019) Hal. 127-133
j. Pengaruh parameter las dan tegangan sisa pada logam las
Hasil las dipengaruhi oleh parameter las yang digunakan untuk mendukung adanya fusi antara elektroda dan BM , hasil las yang paling penting adalah sifat mekanis. Penggunaan panas masuk terlalu tinggi akan memperluas weld pool yang  mengakibatkan  intesitas  panas  naik,  peningkatan  ini  akan  mempengaruhi  sebagian BM yang  tidak  leleh  yang menyebabkan perubahan fasa. Jika hal ini terjadi demikian maka semakin besar intensitas panas weld pool ( weld pool semakin  besar)  maka  konduksi  panas  ke BM semakin  bertambah  yang  mengakibatkan  lebar HAZ semakin  besar. Sementara heat input dipengaruhi oleh arus yang digunakan. Travel speed semakin turun akan mengakibatkan panas lebih manyak berpindah yang mengakibatkan weld pool membesar.
Proses pembekuan akhir pengelasan akan membangkitkan tegangan kompresi di pusat las, hal ini akan memperlebah daerah  terpengaruh  panas.  Sebagai  akibatnya  selesai  pembekuan  akan  menghasilkan  daerah  antar  muka  tarik  aibat pembekuan sementara disilain BM tertahan oleh fixture ataupun BM yang dingin.

## 4. Kesimpulan
Hasil  penelitian  yang  sudah  dilakuan  dapat  disimpulkan  bahwa  parameter  perlakuan  panas quenching yang menghasilkan kekerasan tertinggi HAZ pada temperatur austenite 850 o C dengan holding 30 menit, dan didinginkan cepat ( quench )  menggunakan  media  pendingin  air.  Struktur  mikro  didominasi  martensit  karena  adanya  austenitisasi  yang bertransformasi ke martensite cukup banyak, dan kekerasan HAZ tertinggi adalah pada quench 850 o C yaitu 555 VHN = 522 BHN .  Penggunaan  panas  masuk  lebih  besar  akan  meningkatkan  pelunakan  pada  daerah  terpengaruh  panas,  dan memperluas weld pool . Tegangan sisa yang timbul pada akhir proses pengelasan akan meningkatkan kekerasan logam las karena tegangan sisa kompresi, lgam las menjadi sangat keras dan rapuh. Pada keadaan dingin akan terjadi terjadi daerah tarikan pada daerah terpengaruh panas yang menurunkan kekuatan sambungan (terlebih bila sambungan memikul beban tarik).

## Ucapan Terima Kasih
Terima kasih kepada Bpk.  Agus  Kusmanto  Kepala  Departemen Produksi 1 Divisi  Kendaraan  Khusus PT Pindad (Persero) Indonesia atas dukungan material dalam penelitian ini.

## Daftar Pustaka
[1]   Madhusudhan, R.G., Mohandas, T., Papukutty, K.K., 1998, Effect of welding process on the ballistic performance of high-strength low-alloy steel weldments. J. Mater Process Technol, 74:27–35.
[2]   Shen, S., Oguocha, I.N.A., Yannacopoulos, S., 2012, Effect of heat input on weld bead geometry of submerged arc welded ASTM A709 Grade 50 steel joints, Journal of Materials Processing Technology 212, 286– 294.
[3]   Leister,  B.M.,  Dupont,  J.N.,  2012,  Fracture  Toughness  of  Simulated  Heat-Affected  Zones  in  NUCu-140  Steel, Supplement to the Welding Journal, Vol. 91, 53-s - 58-s.
[4]   Celin, R., Burja, J., 2018, Effect of Cooling Rates on the Weld Heat Affected Zone Coarse Grain Microstructure, Metallurgical and Materials Engineering, Vol. 24 (1) p. 37-44, https://doi.org/10.30544/342.
[5]   Yanet, M., Mónica, Z., 2015, Microstructure Characterization of Heat Affected Zone in Single Pass Welding in 9Cr- 1Mo Steels, Procedia Materials Science 8, 904 – 913.
[6]   Long,  S.L.,  Liang,  Y.L.,  Jiang,  Y.,  Liang,  Y.,  Yang,  M.,  Yi,  Y.L.,  2016,  Effect  of  quenching  temperature  on martensite  multi-level  microstructures  and  properties  of  strength  and  toughness  in  20CrNi2Mo  steel,  Materials Science & Engineering A676, 38–47
[7]   Mani, E.,  Udhayakumar, T.,  2018, Effect of prior austenitic grain  size and tempering temperature on the energy absorption characteristics of low alloy quenched and tempered steels, Materials Science & Engineering A, Materials Science & Engineering A, Materials Science & Engineering A 716, 92–98.
[8]   Qasim, B.M., Khidir, T.C., Hameed, A.F., Abduljabbar, A.A., 2018, Influence of Heat Treatment on the Absorbed Energy of Carbon Steel, Journal of Mechanical Engineering Research and Developments (JMERD) 41(3), 43-46, DOI: http://doi.org/10.26480/jmerd.03.2018.43.46.
[9] Chen, G., Luo, H., Yang, H., Han, Z., Lin, Z., Zhang, Z., Su, Y., 2018, Effects of the welding inclusion and notch on thefracture behaviors of low-alloy steel, Journal of Materials Research Technology.
[10]  __________,  1996,  ASM  Handbook,  Volume  6,  Properties  and  Selection:  Irons,  Steels,  and  High-Performance Alloys, Copyright ASM International, hal 246-247.
[11]  Messler, R.W., 2014, Princile of Welding (Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy), WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, p. 547.
[12]  Yurianto, et al., 2015, Weldability of Hot Rolled Plate Steel (Sifat Mampu Las Hot Rolled Plate Steel - Indonesian), Prosiding Seminar Sains dan Teknologi, Fakultas TeknikUniversitas Brawijaya Malang, ISSN 2407-4845.