Abstrak —Parameter  input  pengelasan  laser  berpengaruh terhadap  kualitas hasil pengelasan. Hasil pengelasan berupa lebar  lasan,  kedalaman  penetrasi  dan  tegangan  sisa menentukan  kualitas  dari  sambungan  logam.  Penelitian ini dilakukan  untuk  mendapatkan  hasil  pengelasan  laser optimal digunakan Finite Elemen Method (FEM) dan Response Surface  Methodology (RS M).  Proses  simulasi  pada  material Esshete  1250  dilakukan  sebanyak  12  kali dengan parameter input yang berbeda. Parameter input pertama adalah heat flux dengan variasi power input 2000 W, 2250 W, 2500 W, dan 2750 W. Parameter input yang kedua adalah welding speed dengan variasi  2,3  m/min,  3  m/min,  dan  3,5  m/min.  Hasil  simulasi menggambarkan  pengaruh heat  flux yang  semakin  tinggi akan  meningkatkan  lebar  lasan,  memperdalam  kedalaman penetrasi dan tegangan sisa. Hasil simulasi juga menggambarkan pengaruh welding speed yang semakin tinggi akan  mempersempit  lebar  lasan,  mengurangi  kedalaman penetrasi, dan mengurangi tegangan sisa. Hasil dari simulasi divalidasi menggunakan persamaan matematis dan didapatkan hasil yang valid.
Kata Kunci —Esshete 1250, FEM , Laser, Pengelasan, RSM .

## I. PENDAHULUAN
ENGELASAN adalah sebuah proses fabrikasi penyambungan  suatu  materia  dengan  material  lainnya yang  biasanya  berupa  logam  atau  material  thermoplastis. Proses  pengelasan  dilakukan  dengan  mendidihkan  bidang sambungan  dengan  menambahkan  material  penyambung untuk  membentuk  genangan  material  lebur  yang  ketika dingin akan menjadi sambungan yang kuat.
Pada  beberapa  tahun  terakhir,  metode laser  welding semakin banyak dikembangkan. Laser welding adalah proses pengelasan  yang  dihasilkan  dari  konversi energi panas dari sinar  laser  sehingga  material  meleleh  dan  membuat sambungan  dengan  material  yang  lain.  Sinar  laser  yang bersifat  kontinu  banyak  digunakan  untuk  pengelasan  yang membutuhkan  kedalaman  penetrasi,  sedangkan  pengelasan laser  yang  tidak  kontinu  banyak  digunakan  dalam  proses pengelasan  material  yang  tipis.  Kelebihan  pengelasan  laser menurut  Xiaodong  (2010)  adalah  distorsi  yang  rendah, kecepatan  pengelasan  yang  tinggi,  dan heat  affected  zone (HAZ)  yang  sempit.  Hal  ini  terjadi  karena  pengelasan menggunakan  sinar  laser  yang  monokromatik  dengan  daya
input  yang  cukup,  nilai  iradiasi yang tinggi dan pemanasan lokal  yang  lebih  mudah  didapatkan  dibandingkan  dengan pengelasan konvensional selain pengelasan laser. Sementara kerugian pengelasan laser adalah pada biayanya y ang relatif mahal  dan  kemampuannya  yang  terbatas.  Kedalaman penetrasi  sinar  laser juga bergantung pada kapasitas sistem laser.  Kontroling  yang  cermat  juga  diperlukan  untuk menghindari  proses  penguapan  material  di  sekitar  lasan karena temperatur yang tinggi.
Penelitian  tentang  pengelasan  laser  banyak  dilakukan untuk  mengoptimisasi  parameter-parameter  input  proses pengelasan  laser  agar dihasilkan produk lasan yang terbaik. Parameter  yang  dimaksud  adalah laser  power , welding speed ,  dan laser  focal  position .  Respon  pengelasan  yang diperhatikan  adalah  kedalaman  penetrasi,  lebar  lasan, struktur  mikro,  geometri weld  pool ,  sifat tensile ,  sifat hardness ,  lebar  HAZ,  daerah  fusi,  dan  sebagainya. Optimisasi  biasanya  dilakukan  dengan  metode  elemen hingga dan dibantu oleh software-software yang mumpuni di bidangnya.
Adapun  penelitian  yang  akan  dilakukan  saat  ini  adalah optimisasi heat  flux dan welding  speed  pada pengelasan laser  material  Esshete  1250  dan  membandingkan  hasilnya terutama  pada  bagian  kedalaman  penetrasi  dan  lebar lasannya.  Penelitian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan software ANSYS  17.1  dengan  metode  elemen  hingga  yang diterapkan untuk mendapatkan hasil yang optimal.

## II. METODOLOGI

## A. Metode Penelitian
Dalam penelitian terdapat beberapa langkah kegiatan yang dilakukan  untuk  mencapai  hasil  yang  diinginkan.  Hal-hal yang dilakukan antara lain adalah :
Step  1 Menentukan  material  yang  akan  digunakan  dan metode  yang  akan  dilakukan.  Metode  yang  digunakan adalah pengelasan laser fiber konduksi single pulse . Step  2 Menentukan  dimensi  dan properties material Esshete  1250. Dimensi yang digunakan adalah butt joint dengan  ukuran  100  mm  ×  50  mm  ×  3  mm  yang dihubungkan  dengan  titik-titik  pengelasan  berdiamater 0,6 mm sebanyak 50 buah.
Step  3 Menjalankan  simulasi  ANSYS  Workbench Trainsient  Thermal untuk  mendapatkan  lebar  las  dan

## Studi Optimisasi

## Heat Flux dan Welding Speed

## pada Pengelasan Laser Fiber terhadap Lebar Lasan, Kedalaman Penetrasi dan Tegangan Sisa Esshete 1250 dengan Metode Elemen Hingga
Tiara Ansellya Resty Yolanda, Mas Irfan P. Hidayat, dan Wikan Jatimurti Departemen Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, ITS, Surabaya e-mail : irfan@mat-eng.its.ac.id, wikan@mat-eng.its.ac.id
P
kedalaman  penetrasi  dan  ANSYS  Workbench Transient Structural untuk  mendapatkan  nilai  tegangan  sisa. Simulasi  dilakukan  dengan  variasi  parameter welding speed dan heat  flux . Welding  speed yang  digunakan adalah 2,5 m/min, 3 m/min, dan 3,5 m/min. Heat flux yang digunakan dihitung menggunakan  persamaan (1) dengan power 2000 W, 2250 W, 2500 W dan 2750 W.
Step  4 Melakukan  analisa  hasil  simulasi dan mencari nilai optimasi  menggunakan Response  Surface  Methodology (RSM). Kriteria optimal adalah apabila lebar las minimum, kedalaman  penetrasi  maksimum,  dan  tegangan  sisa minimum. Apabila belum optimal, maka kembali ke step 3. Step  5 Melakukan  analisa  data  dan  pembahasan. Menjelaskan  apakah  hasil  simulasi  sesuai  dengan  teori yang  ada.  Melakukan  validasi  untuk  membuktikan kebenaran hasil simulasi.
Step 6 Menentukan kesimpulan dari penelitian.

## B. Spesifik asi Material dan Parameter Input Laser
Pada simulasi ini, material yang digunakan adalah Esshete 1250 dengan spesifikasi seperti yang diuraikan pada Tabel 1 [1]  dan  Tabel  2  [1].  Sementara  parameter  yang  digunakan pada pengelasan laser diuraikan pada Tabel 3 [2].
Gambar 1. Meshing pada material permodelan.
T abel 1.

## Parameter pengelasan laser
Parame te r Min Max Laser power (W) 2000 2750 Welding speed (m/menit) 2.5 3.5 T abel 2.

## Properti material Esshete 1250
Te mpe ratur ( o C ) De nsit as (Kg/m 3 ) Konduktivit as (W/m . K) Kalor Je nis (J/Kg . K) 20 7960 12.69 490 100 7930 13.93 508 200 7890 15.48 532 300 7850 17.03 555 400 7810 18.58 580 500 7770 20.13 603 600 7730 21.68 627 700 7680 23.23 650 800 7640 24.78 650
900 7600 26.33 650 1000 7550 27.88 650 1100 7550 29.43 650 1200 7550 30.98 650 1300 7550 32.53 650 1400 7550 34.08 650 T abel 3. Komposisi kimia Esshete 1250 Unsur Komposisi (%) C 0.1 Si 0.5
Mn 6.3 P
< 0.035
S < 0.015 Cr 15
Ni 9.5
Mo 1.0
V 0.3 Nb 1.0 B 0.005

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Permodelan
Simulasi  dilakukan  pada  titik  pengelasan  seperti  pada Gambar 2 berupa heat flux pada permukaan material. Material berada  pada  kondisi  temperatur  udara  kamar  300  K, perambatan  konveksi  sebesar  50  W/m 2 ,  bagian  bawah material  diberi  heat  dengan  tipe perfectly  insulated karena bagian  bawah  material  menempel  pada  meja  kerja  beruma magnet.
Gambar 2. Geometri weld spot
Analisa  thermal  akan  menghasilkan  output  berupa  lebar lasan  dan  kedalaman  penetrasi  yang  dilihat  dari  hasil distibusi temperatur. Perhitungan lebar lasan dan kedalaman penetrasi  berdasarkan  temperatur  fusi material Esshete 1250 sebesar  1400  ºC.  Analisa  struktural  menggunakan  hasil distribusi  temperatur  dari analisa termal dan akan dihasilkan tegangan sisa pengelasan.

## B. Pembebanan
Pembebanan  dilakukan  dengan heat  flux sesuai  dengan persamaan [3]:
0,6 mm
(1)
Sehingga  parameternya  dapat  dilihat  pada  Tabel  4. Pembebanan  pada  ANSYS  Workbench Transient  Thermal akan  menghitung  semua  step  yang  aktif pada tabular data step . Oleh karena itu, load step selain pada step yang dituju haruslah  dihapus  dengan  cara  di deactive .  Hal ini bertujuan agar software tidak  mengkalkulasi  pembebanan heat  flux pada step yang di deactive tersebut. Pemberikan pembebanan heat  flux dengan    nilai  nol  tidaklah  sama dengan  menghapus load  step tersebut.  Penghapusan load step memiliki  fungsi  yang  sama  dengan deactive load step . Sementara  untuk  menjalankan  pembebanan  termal  sebagai pengelasan, pengaturan yang digunakan adalah menonaktifkan auto  time stepping . Step berjalan bukan dari waktu  step  namun  dari  substep  yang  ada.  Pengaturan selanjutnya adalah dengan mengaktifkan integrasi waktu.
T abel 4.

## Parameter pengelasan pada setiap case
Case Welding Speed Power Input (W) Waktu (s) Heat Flux (W/m 2 ) (m/min) (m/s ) 1 2,5 0,04 17 2000 2,4 7077140835 2 2250 2,4 7961783439 3 2500 2,4 8846426044 4 2750 2,4 9731068648 5 3 0,05 00 2000 2 7077140835 6 2250 2 7961783439 7 2500 2 8846426044 8 2750 2 9731068648 9 3,5 0,05 83 2000 1,7143 7077140835 10 2250 1,7143 7961783439 11 2500 1,7143 8846426044 12 2750 1,7143 9731068648

## C. Hasil Penelitian
Hasil  distribusi  temperatur  pda  hasil  pengelasan  berupa rentang temperatur global maximum temperature dan global minimum temperatur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3  dan  Gambar  4.  Temperatur  tertinggi  pada  pengelasan berada  pada weld  pool kemudian  semakin  dingin  ke  arah HAZ kemudian temperatur terendah beraa pada bagian base metal.
Gambar 3. T emperatur global maksimum
Perhitungan  lebar  lasan  ditunjukkan  pada  Gambar  5  dan Gambar  6  dimana  temperatur  yang  dijadikan  acuan perhitungan adalah temperatur 1400 ºC. Pengkuran dilakukan dengan  menghitung  selisih  koordinat  node  terdekat  pada temperatur tersebut.
Gambar 4. T emperat ur global minimum
Gambar 5. Distribusi temperatur untuk menghitung lebar lasan
Gambar  6.  Distribusi  temperatur  untuk  menghitung  kedalaman penetrasi
T abel 5.
Ukuran bead weld dari distribusi temperatur Case Welding Speed (m/min) Power Input (W) Lebar Lasan (mm) Kedalaman Penetrasi (mm) 1 2,5 2000 1,7647 0,88 2 2250 1,8333 0,8842 3 2500 1,8621 0,92 4 2750 1,9273 0,9 5 3 2000 1,650 0,78 6 2250 1,644 0,8308 7 2500 1,680 0,8432 8 2750 1,740 0,8714 9 3,5 2000 1,6098 0,7692 10 2250 1,6833 0,7941 11 2500 1,6769 0,7875 12 2750 1,695 0,8211
Dari hasil simulasi pada Tabel 5 dapat dibuat grafik seperti pada Gambar 7 dan Gambar 8. Pada Gambar 7 bahwa semakin besar  power  yang  diterima  oleh  titik-titik  pengelasan  maka akan  semakin  besar  lebar  lasan karena distribusi temperatur yang mencapai temperatur fusi semakin besar. Pada Gambar 8 dapat  dilihat  dengan welding  speed yang  semakin  besar akan  menghasilkan  lebar  lasan  yang  semakin  kecil,  hal  ini disebabkan karena waktu sinar laser untuk memanaskan titik pengelasan semakin cepat saat welding speed tinggi. Power las berpengaruh terhadap proses pelelehan dan penyambungan  logam,  semakin  besar  power  maka  semakin besar  lebar  HAZ  [4].  Semakin  cepat  waktu yang digunakan sinar  laser  untuk  melelehkan  logam,  maka  panas  yang ditimbulkan  semakin  sedikit  sehingga  lebar  lasan  semakin kecil [2].
Gambar  7.  Lebar  lasan  pengelasan  laser  Esshete  1250  berdasarkan welding speed
Gambar  8.  Lebar  lasan  pengelasan  laser  Esshete  1250  berdasarkan power input
Kemudian  pada  Gambar  9  dan  Gambar  10  dapat  dilihat pengaruh  power  dan welding  speed terhadap  kedalaman penetrasi dan didapatkan kedalaman penetrasi yang semakin meningkat  seiring  dengan  semakin  tingginya  power  input. Kemudian  dengan welding  speed yang  semakin  cepat didapatkan  kedalaman  penetrasi  yang  semakin  singkat. Semakin  tinggi  arus  pengelasan  maka  akan  semakin memperdalam  penetrasi  [5][6].  Semakin  besar  kecepatan pengelasan  maka  akan  menghasilkan  waktu  pelelehan yang semakin  cepat  sehingga  material  yang  meleleh  semakin sedikit akibatnya kedalaman penetrasi akan berkurang [5].
Gambar 9. Kedalaman penet rasi  pengelasan  laser  Esshete  1250 berdasarkan welding speed
Gambar  10.  Kedalaman  penetrasi  pengelasan  laser  Esshete  1250 berdasarkan power input
Tabel  6  merupakan  hasil  simulasi  tegangan  sisa  pada  12 simulasi.  Dari  Tabel  6  dapat  digambarkan  hasil  pengaruh power input dan welding speed seperti pada Gambar 11 dan Gambar  12.  Pada  Gambar  11  dapat  dilihat  semakin  tinggi power  input  didapatkan  tegangan  sisa yang semakin besar. Hal  ini  terjadi  karena  distribusi  temperatur  yang  dihasilkan pada power input yang tinggi akan semakin besar. Kemudian Gambar  12  dengan  semakin  besarnya welding  speed maka waktu yang dibutuhkan setiap titik semakin cepat. Sehingga tegangan  sisa  dari  hasil  distribusi  temperatur  juga  semakin kecil.  Hasil  simulasi  tegangan  sisa  ini  sesuai  dengan penelitian yang dilakukan pada Jurnal [7].
T abel 6.
Hasil pengukuran tegangan sisa pada pengelasan Case Welding Speed (m/min) Power Input (W) T egangan Sisa (Pa) 1 2,5 2000 0,20444 2 2250 0,20486 3 2500 0,20532 4 2750 0,20584 5 3 2000 0,20393 6 2250 0,20429 7 2500 0,20476 8 2750 0,20529 9 3,5 2000 0,19931 10 2250 0,19975 11 2500 0,20023 12 2750 0,20077
Gambar  11.  T egangan  sisa  pengelasan  laser  Esshete 1250 berdasarkan welding speed
Gambar  12.  T egangan  sisa  pengelasan  laser  Esshete 1250 berdasarkan power input

## Optimasi Hasil Simulasi
Desain  eksperimen  untuk  menganalisa  pengaruh  power input dan welding speed ditunjukkan pada Tabel 7. Tabel ini mendistribusikan  angka Std  Order,  Run  Order, dan Block s sesuai dengan analisa data Response Surface Methodology . Second-order  polynomial (regresi)  [7]  dijelaskan  dalam bentuk Y.
(2)
dimana  A  menjelaskan  rata-rata  aritmatika  dari  semua  hasil kuantitatif  yang  dihasilkan  12  simulasi,  a 1 sampai  a 5 adalah koefisien,  dan  X 1 ,  X 2 merupakan  parameter  input  yang dijadikan variabel kontrol.
T abel 7
Desain eksperimen dan analisis RSM Std Orde r Run Orde r Block s WS (m/min ) P (W) LL (mm) KP (mm) T S (Pa)
1 1 1 2,5 200 0 1,764 7 0,88 0,2044 4 2 2 1 2,5 225 0 1,833 3 0,884 2 0,2048 6 3 3 1 2,5 250 0 1,862 1 0,92 0,2053 2 4 4 1 2,5 275 0 1,927 3 0,9 0,2058 4 5 5 1 3 200 0 1,65 0,78 0,2039 3 6 6 1 3 225 1,733 0,830 0,2042
0 3 8 9 7 7 1 3 250 0 1,714 3 0,843 2 0,2047 6 8 8 1 3 275 0 1,74 0,871 4 0,2052 9 9 9 1 3,5 200 0 1,609 8 0,769 2 0,1993 1 10 10 1 3,5 225 0 1,683 3 0,794 1 0,1997 5 11 11 1 3,5 250 0 1,676 9 0,787 5 0,2002 3 12 12 1 3,5 275 0 1,695 0,821 1 0,2007 7
5 , 2 3,0 6 , 1 , 1 7 1,8 6 , 77 8 2000 3,5 8 2 0 0 4 2 8 2 0 0 8 9 1,9 Lebar La ( ) m m n a s ) W ( r e w o P ) n i m / m ( d e e p S eld W ing urface Plot of Lebar Lasan (mm) v Power (W); S Welding Speed (m/min) s
Gambar 13. Surface plot simulasi lebar lasan 5 , 2 3,0 0,80 0,85 0 9 , 0 2 0 0 2 2000 ,5 3 0 6 2 2400 0 0 6 0 9 , 0 , 0 95 (mm) i s a r t e n e P n a m r e o P w ) W ( ) n i m / m ( d e e p S g n el W di urface Plot o S Kedalaman Penetrasi f (mm) vs Power (W); Welding Speed (
Gambar 14. Surface plot simulasi kedalaman penetrasi
0 0 2 , 0 , 2 0 0 2 0,204 ,5 2 3,0 2 2 00 0 0 0 2 , 3 5 260 2400 600 0,204 ,206 0 gangan S P ) a ( a s i ) W ( r e w o P ) n i m / m ( d e e p S el W ding urface Plot of Tegangan Sisa (Pa) e s Power (W); W S lding Speed (m/min) v
Gambar 15. Surface plot simulasi tegangan sisa
Dari  hasil  analisa  RSM  pada  lebar  lasan,  kedalaman penetrasi dan tegangan sisa didapatkan nilai optimasi seperti pada  Gambar  16.  Lebar  lasan  yang  minimum,  kedalaman
penetrasi  maksimum,  dan  tegangan  sisa  minimum  akan didapatkan  pada welding  speed sebesar  2,5  m/min  dan dengan power 2000 W.
Gambar 16. Optimasi respon pengelasan laser Esshete 1250

## D. Validasi Hasil Simulasi
Validasi hasil simulasi dilakukan dengan menghitung leb ar lasan, kedalaman penetrasi, dan tegangan sisa menggunakan rumus  matematik  untuk  membuktikan  bahwa  hasil  simulasi benar.  Validasi  pada  lebar  lasan  dilakukan  dengan menggunakan persamaan berikut [3] :
(3) dimana T p peak   temperature , T 0 temperatur  awal,  π  bernilai 3,1416, e bernilai  2,718, ρ densitas  logam  induk, C  spesific heat , h ketebalanan  benda  kerja, Y z jarak  HAZ  dari  pusat weld  pool ,  H nett net  heat  input per  satuan  panjang, dan T m temperatur  leleh.  Validasi  yang  dilakukan  pada  kedalaman penetrasi adalah dengan menggunakan persamaan berikut [8] :
(4) dimana P  power  for  melting , ρ densitas  logam  induk, D diameter  laser, h kedalaman penetrasi, v welding speed , dan L m latent heat of melting .
T abel 8.
Hasil validasi matematis Parameter Simulasi Perhitunga n Eror T emperatur Lebar Lasan 1000 K 990,52 K 0,948 % Kedalaman Penetrasi 0,88 mm 0,89042 1,184 %

## IV. KESIMPULAN
1. Heat  flux yang  semakin  tinggi  dapat  meningkatkan lebar  lasan,  meningkatkan  kedalaman  penetrasi,  dan meningkatkan tegangan sisa
2. Welding speed yang semakin tinggi dapat mengurangi  lebar  lasan,  mengurangi  kedalaman penetrasi dan mengurangi tegangan sisa
3. Hasil pengelasan yang optimal akan didapatkan pada power  sebesar  2000  W  yang menghasilkan heat flux
7077140835  W/m 2 dan welding  speed 2,5  m/min dengan  eror  0,948  %  pada  lebar  lasan  dan  1,184  % pada  kedalaman  penetrasi  jika  dibandingkan  dengan nilai validasi.
DAFTAR PUSTAKA [1] Sandvik, “Esshete 1250 : T ube and Pipe,” 2017.
[2] L.  S.  &  X.  L.  Jiang  P.,  Chaochao  W.,  Qi  Z.,  Xinyu  S.,
“Optimization  of  Laser  Welding  Process  Parameters  o f Stainless  Steel  316L  Using  FEM,  Kriging  and  NSGA-II,”
2016.
[3] C.  L.  J.  dan  A.  O’Brien, AWS  Handbook  Vol  1 :  Welding
Science and Technology . 2001.
[4] dan  D. K. Mutiara E., T ri Y., Dedi H., “ Pengaruh Parameter Proses  Pengelasan  T erhadap  Karakteristik  Hasil  Las  dengan Resistance Welding Machine,” 1998.
[5] R.  Dani,  “Pengaruh  Variasi  Kecepatan  Pengelasan  T ungsten Inert  Gas  (T IG)  terhadap  Kekuatan  T arik  Hasil  Sambungan Las pada Baja Karbon Rendah (ST  41).”
[6] S.  H.  D.  R.  S, Pengantar  untuk  Mem aham i  Proses
Pengelasan Logam . Bandung: Alabeta, 2006.
[7] R.  S.  &  M.  V.  Ragavendran  M.,  N.  Chandrasekhar,  R. Ravikumar.,  “Optimization  of  Hybrid  Laser  –  T IG  Welding of  316LN  Steel  Using  Response  Surface  Methodology (RSM),” 2017.
[8] X.  Xue,  “ Effect  of  Pulsed  Nd:YAG  Laser  Welding
Parameters on Penetration and Microstructure
Characterization of a DP1000 Steel Butt Joint,” 2017.