## STUDI VARIASI SUHU TERHADAP KUAT MEKANIK SAMBUNGAN ANTARA BAJA DENGAN TEMBAGA PADA PROSES FURNACE BRAZING

## Bambang Waluyo Febriantoko
Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani PO BOX 1 Pabelan Surakarta 57102 E mail : bambangwf@gmail.com

## ABSTRAK
Aplikasi furnace brazing digunakan pada pembuatan mold/dies dengan metode laminated steel tooling. Kekuatan sambungan antara logam induk dengan logam pengisi (filler) merupakan permasalahan yang utama. Kekuatan ini tergantung dari material logam induk, material logam pengisi, suhu proses brazing, tekanan proses dan metode brazing. Penelitian ini menyelidiki variasi suhu proses furnace brazing antara logam induk baja mild steel dengan logam pengisi tembaga.
Metode penyambungan antara mild steel dengan baja dilakukan dengan menggunakan jig untuk memberi tekanan selama proses brazing. Jig berikut dengan spesimen uji tarik, uji geser, dan uji belah dilakukan pemanasan didalam furnace serta didinginkan dengan perlahan setelah mencapai suhu penelitian. Pengujian mekanis dilakukan dengan mesin Universal Testing Machine.
Hasil penelitian menunjukkan semakin tinggi suhu brazing akan didapatkan kekuatan yang semakin naik, namun suhu maksimum tergantung dari titik leleh logam pengisi.
Kata kunci : Brazing, Kuat Mekanik, Baja, Tembaga

## PENDAHULUAN
Penyambungan pada logam dengan logam lain dilakukan dengan banyak cara, diantaranya dengan las, lem, solder, baut, paku keling dan brazing. Brazing salah satu cara penyambungan yang banyak dilakukan untuk menyambung plat tipis yang tidak mungkin digunakan metode las. Pada pembuatan dies/ mold dengan metode rapid prototyping dengan menggunakan cara Laminated Steel Tooling (LST) maupun layer manufacturing brazing banyak memegang peranan yang penting. Metode LST mengunakan plat baja yang disusun tiap layer dengan meng- gunakan brazing maupun lem untuk menyambung tiap layer plat. Kekuatan sambungan antara baja dan tembaga sebagai logam pengisi inilah yang
akan dibahas pada penelitian ini dengan mem- variasikan suhu pada proses brazing didalam furnace .

## TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
Dalam usaha untuk mengaplikasikan pendinginan conformal , laminasi brazing bahan Aluminium yang dilakukan dengan memberikan filler ditengahnya dan diberi tekanan selama pemanasan pada suhu 610 o C selama 1 jam telah terjadi diffusion bonding yang erat sehingga air pendingin tidak masuk ke dalam mold (Himmer dkk, 1999). Uji coba pada bahan mild steel dilakukan oleh peneliti dengan cara meode bra- zing mild steel dan Tembaga pada suhu 1110 o C
dengan waktu tahan di dalam furnace selama 30 menit (Wimpeny dkk, 2003). Bryden dkk, (2001) melakukan brazing bahan mild steel dengan filler Ag-Cu-Zn-Sn pada tekanan 1,7 MPa dengan suhu 720 o C. Yoon & Na (2003), melakukan penelitian pembuatan Rapid Lami-nated Tooling dengan membandingkan proses brazing dengan solder mendapatkan bahwa metode brazing mempunyai kekuatan yang lebih tinggi.
Brazing merupakan metode penyambung- an dua logam dengan menggunakan filler pengisi dengan cara pemanasan dibawah suhu melting logam pengisinya. Proses brazing dilakukan dengan ciri: komposisi logam filler pengisi untuk brazing selalu berbeda dengan komposisi logam induk, kekuatan sambungan brazing ini selalu dibawah kekuatan logam induk, melting point dari filler brazing selalu lebih rendah dari logam induk, metode perekatan dari dua logam ini dengan cara difusi atom (De Garmo dkk, 1984).

## Gambar 1 Metode brazing
Metode perekatan ini dapat dilihat pada Gambar 1, filler pengisi berada ditengah dan dijepit oleh logam induk. Tekanan diberikan pada kedua sisi dan dilakukan pemanasan di dalam furnace beserta dengan jignya.
Pemanasan dengan temperatur yang tepat akan menjaga kwalitas brazing, temperatur terlalu tinggi membuat filler meleleh, jika tem- peratur terlalu rendah maka kekuatan sam- bungan akan menurun (Wimpeny dkk, 2003).
Difusi merupakan perpindahan atom dari satu tempat ke tempat lainnya. Tipe dari difusi material solid yaitu : self diffusion dan inter- diffusion. Self diffusion adalah perpindahan atom pada satu jenis bahan. Interdiffusion ada- lah perpindahan atom antara dua atau lebih jenis bahan yang berbeda.
G ambar 2 Mekanisme interdiffusion,
(Ashby, 2007)
Mekanisme terjadinya difusi terbagi oleh: difusi vacancy dan difusi interstitial.
Difusi Vacancy adalah mekanisme perpindahan atom karena ada kekosongan tempat. Kekosongan ini akan diisi oleh atom yang lain, seperti pada Gambar 3

## Gambar 3 Mekanisme difusi Vacancy
(Callister, 2007)
Difusi interstitial adalah mekanisme perpindahan atom karena gerakan atom didalam rongga atom, diilustrasikan pada Gambar 4.

## Gambar 4 Mekanisme difusi Interstitial
(Callister, 2007)
Pemodelan teori difusi berdasarkan oleh jumlah flux yang berdifusi ke logam lain. Flux dapat dijelaskan pada Gambar 5, yaitu perpin- dahan atom persatuan luas.

## Gambar 5 Mekanisme perpindahan atom
Persamaan perhitungan flux (J) adalah
J = dt dM A 1 atau ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ s m atom 2 (1)
dengan J adalah flux, A adalah luas area yang terdifusi.
Perhitungan fluk difusi (J) menurut per- samaan dari hukum Fick’s pertama kondisi satu dimensi adalah :
J = - D dx dC
(2)
dengan D merupakan koefisien difusi, dx dC
merupakan gradien konsentrasi bahan (massa / volume dibagi dengan jarak).
Hubungan antara koefisien difusi dengan temperatur digunakan persamaan :
D = Do exp (- RT Q ) (3)
dengan Do adalah pre exponential dari bahan, Q adalah energi aktivasi, R merupakan konstanta gas, dan T adalah temperatur.
Hubungan antara kekuatan sambungan dengan difusi yang terjadi dipengaruhi oleh jumlah flux (jumlah atom per satuan luas). Sedangkan tegangan tarik ( σ ) pada kekuatan sambungan adalah :
A P σ =
(4)
dengan P adalah gaya tarik, A adalah luas area penyambungan.
Sehingga semakin besar jumlah flux dari filler yang terdifusi ke dalam logam induknya maka akan semakin besar pula tegangan tariknya.
Untuk tegangan geser (ô) pada kekuatan sambungan dapat dirumuskan :
A P τ = (5)
dengan P adalah gaya geser, A adalah luas area penyambungan
Sedangkan tegangan tarik (ó) karena pembelahan (cleavage ) pada kekuatan sam- bungan adalah :
A P σ = (6)
dengan P adalah gaya tarik yang mengakibatkan pembelahan, A adalah luas area penyambungan.

## METODE PENELITIAN
Perekatan brazing dilakukan dengan menggunakan jenis filler sesuai pada Tabel 1 yaitu Tembaga. Kondisi variabel ketiga jenis proses brazing dapat dilihat pada Tabel 1. Brazing pada filler Tembaga proses penyam-bungannya diberi tekanan 1,7 MPa (Bryden, 2001) di dalam jig. Jig beserta dengan spesimen dipanaskan pada furnace dengan variasi suhu 1000 o C, 1050 o C, 1100 o C ditahan selama 30 menit (Wimpenny,
2003) dan didinginkan perlahan di dalam furnace (lihat Gambar 10). Setiap variasi suhu digunakan spesimen sebanyak 5 buah, kemudian dilakukan pengujian tarik, geser dan belah.

## Gambar 6 Grafik perlakuan brazing
Tembaga 1100 o C dalam furnace 1100 C Tahan 30 menit pada 1100C Waktu (jam) Suhu

## Tabel 1 Variabel perekatan brazing

## BAHAN DAN SPESIMEN
1. Bahan
Material yang digunakan sebagai basis lami- nasi menggunakan mild steel dengan ukuran sesuai Gambar 7, Gambar 8 , Gambar 9. Hasil uji kompo- sisi kimia pada material adalah 98,52 Fe, 0,473 C, 0,55 Mn, 0,232 Si. Bahan perekat (filler) yang digunakan adalah tembaga dengan komposisi 99%.

## 2. Spesimen
Pembentukan spesimen untuk uji tarik mengacu pada standart ASTM D897 dengan bentuk sesuai Gambar 7, untuk uji belah ( cleavage ) mengacu pada standart ASTM D1062 dengan bentuk sesuai Gambar 8, untuk uji geser sesuai dengan standart ASTM D1002 sesuai dengan Gambar 9. Standar uji ini mengacu pada pengujian adhesive bonding karena akan dibandingkan dengan hasil pengujian penyambungan lem epoxy.
Gambar 7 Bentuk spesimen uji tarik ASTM D897 (Material Testing Technology Co, 2003.)
Gambar 8 Bentuk spesimen uji belah (cleavage) ASTM D1062 (Harper, 1996)
Gambar 9 Bentuk spesimen uji geser ASTM D1002 (Harper, 1996)

## 3. Alat Penelitian
Penelitian dilakukan dengan menggunakan peralatan : 1. Universal Testing Machine merk Shi- madsu Servo Pulser kapasitas 20 ton di Laboratorium Teknik Mesin UGM 2. Furnace merk Thermolyne dengan suhu maksimum 1400 o C di Laboratorium Teknik Kimia UMS 3. Alat pres & jig buatan sendiri 4. Torsi meter merk Britool kapasitas 70 N/m digunakan untuk mengatur tekanan pada jig
Jenis Filler Tembaga Suhu ( o C) pemanasan 1000, 1050,1100 Waktu tahan 30 menit Tebal filler 0,17 mm Tekanan pres 1,7 MPa Metode pengha- lusan permukaan Kertas gosok ukuran 120 - 1000
Gambar 10 Furnace
Gambar 11 Jig

## HASIL PENELITIAN
1. Pengujian Geser
Hasil pengujian geser metode brazing dapat dilihat di Gambar 12. Hasil pengujian geser brazing filler Tembaga lokal suhu furnace 1000 o C sebesar 21,39 MPa, suhu 1050 o C sebesar 22,56 MPa, dan suhu 1100 o C sebesar 29,61 MPa. Hasil Patahan berupa patah getas.
Pada pengujian ini didapatkan hasil tertinggi pada filler Tembaga pada suhu 1100 o C dengan kekuatan sebesar 29,61 MPa. Bryden (2001) melakukan laminasi mild steel ketebalan 1,6 mm dengan filler Ag 56, Cu 22, Zn 17, Sn 5% pada 720 o C didapatkan kekuatan geser sebesar 28,75 MPa.
Bentuk penampang potong pada Gambar 13, 14, dan 15 setelah pengujian, terdapat perbedaan luas penampang potong. Pada Gambar 15 luas bidang penampang lebih besar dari gambar sebelumnya, hal ini menunjukkan
bahwa semakin tinggi suhu akan didapatkan luas penampang bidang kontak semakin besar.
Gambar 12 Diagram batang pengujian geser brazing
Gambar 13  Penampang uji geser
suhu 1000C Gambar 14 Penampang uji geser suhu 1050 Gambar 15
Penampang geser suhu 1100 o C

## 2. Pengujian Tarik
Hasil pengujian tarik metode brazing dapat dilihat di Gambar 16. Hasil pengujian tarik brazing filler Tembaga lokal suhu furnace 1000 o C sebesar 17,91 MPa, suhu 1050 o C sebesar 8,4 MPa, dan suhu 1100 o C sebesar 25,16 MPa. Pengujian tarik brazing Tembaga dida- patkan hasil tertinggi pada variasi suhu 1100 o C, terdapat penurunan yang signifikan antara hasil pada suhu 1000 o C dan 1050 o C. Penurunan ini dapat disebabkan oleh bidang kontak permukaan yang tidak rata antara filler dan logam induk.
Gambar 16 Diagram batang pengujian tarik brazing
Gambar 17
Penampang uji tarik suhu 1000 o C
Penampang potong pada Gambar 4.19, setelah dilakukan pengujian pada suhu 1100 o C terlihat bahwa luas bidang potong lebih besar dari yang lainnya. Gambar 17 penampang potong
Gambar 18
Penampang uji tarik suhu 1050 o C
Gambar 19
Penampang uji tarik suhu 1100 o C
dari yang lainnya. Gambar 17 penampang potong suhu 1000 o C lebih besar dibandingkan suhu
1050 o C yang diikuti pula dengan naiknya ke- kuatan tariknya, hal ini dapat disebabkan masalah kerataan permukaan.

## 3. Pengujian Belah (Cleavage)
Hasil pengujian belah metode brazing dapat dilihat di Gambar 20. Hasil pengujian belah brazing filler Tembaga lokal suhu furnace 1000 o C sebesar 5,75 MPa, suhu 1050 o C sebesar 11,05 MPa, dan suhu 1100 o C sebesar 15,67 MPa. Hasil patahan berupa patah getas. Pengujian belah dengan filler Tembaga didapatkan hasil tertinggi pada suhu 1100 o C se- besar 15,6 MPa (pada Gambar 20). Nilai ke- kuatan brazing filler Tembaga naik seiring dengan naiknya suhu pada furnace proses brazing.

## Gambar 20 Diagram batang pengujian belah brazing
Penampang uji belah dapat dicermati pada Gambar 21, Gambar 22, Gambar 23. Disini terdapat perbedaan luas area kontak permukaan pada variasi berbagai suhu. Pada suhu 1000 o C kontak permukaan lebih kecil dibandingkan dengan suhu 1100 o C yang mempunyai luas bidang kontak yang lebih besar.
Gambar 21
Penampang uji belah suhu 1000 o C Gambar 22 Penampang uji belah suhu 1050 o C
Gambar 23
Penampang uji belah suhu 1100 o C

## KESIMPULAN
Kekuatan mekanis pada sambugan baja dengan baja menggunakan tembaga sebagai logam perantara didapatkan pengaruh suhu terhadap kekuatan sambungan, semakin tinggi suhu brazing akan semakin kuat sambungannya. Suhu maksimum proses brazing sampai 1100 o C.

## DAFTAR PUSTAKA
Bryden, B.G., Pashby, I.R, 2001, Hot Platen Brazing to Produce Laminated Steel Tooling, Journal of Material Processing Technology 110 206-210
Bryden, B.G., Pashby, I.R, Wimpenny, D.I, Adams, C., 2000, Laminated Steel Tooling in Aerospace Industry, Material and Design 21 403-408
De Garmo, P., Black, J.T., Kohser, R.A., 1984, Materials and Processes in Manufacture , Seventh Edition, Maxwel Macmillan
Himmer, T., Nakagawa, T., Anzai, M., 1999, Lamination of Metal Sheets, Computer in Industry 39 27-33
Mueller, B.dan Kochan, D., 1999, Laminated Object Manufacturing for Rapid Tooling and Pattermaking in Foundry Industry, Computers in Industry 39 47-53
Muller, H. dan Sladojevic, J. 2001, Rapid tooling approaches for Small lot Production of Sheet metal parts, Journal of Material Processing Technology 115 97-103
Rabinkin, A., Wenski, E., Ribaudo, A., 1998, Brazing Stainless Steel Using a New MBF-Series of Ni-Cr-B-Si Amorphous Brazing Foils, Welding Reseach Supplement , P 66s-75s.
Wimpenny, D.I., Bryden, B., Pashby, I.R., 2003, Rapid Laminated Tooling, Journal of Material Processing Technology 138 214-218
Ashby M., Shercliff H., Cebon D., 2007, Material Engineering Science Processing and Design , Butterwoth-Heinemann, UK
Callister W.D., 2007, Material Science & Engineering , Seventh Edition, John Willey & Sons
Yoon S. H., Na S.J., 2003, Rapid LaminationTooling by Brazing & Soldering Process, Journal Of Manufacturing Process , Volume 5 No 2