## ANALISIS SAMBUNGAN LAS GTAW COPPER-NICKEL (CuNi) TERHADAP NICKEL-CHROMIUM IRON STEEL (FeCrNi) ALLOYS

## GTAW WELDING JOINT ANALYSIS OF COPPER-NICKEL(CuNi) TO NICKEL- CHROMIUM IRON STEEL (FeCrNi) ALLOYS
A. Yudia Bakti 1 , Surasno 2
1 Balai Besar Logam Mesin, Jl. Sangkuriang No.12 Bandung
2 Balai Besar Bahan dan Barang Teknik, Jl. Sangkuriang No.14 Bandung Email: 1 yudiabakti@yahoo.co.id, 2 surasno2005@yahoo.co.id
Diterima: 29 Oktober 2014 Direvisi: 20 November 2014 Disetujui: 23 Desember 2014

## ABSTRAK
Sambungan las dissimilar metal  CuNi-FeCrNi  Alloys mempunyai permasalahan pada penetrasi dan sifat mekanis. Telah dilakukan rancangan pengelasan  logam  paduan CuNi-FeCrNi dengan parameter Heat input (2145 s.d 4680) J/cm untuk menghasilkan sambungan las yang baik tanpa cacat-cacat las. Hasil pengelasan menunjukkan penetrasi logam las yang  baik pada sisi bevel dan arah vertikal, struktur makroskopis penampang sambungan las tidak terdapat cacat-cacat las, sifat-sifat mekanis: kekuatan  tarik 46,56 kg/mm 2 ,  keuletan  31,25%, reduksi penampang 33,10%, dan lokasi patah di fusionline las  CuNi  tidak terdapat cacat las. Dari hasil uji bending  tidak ditemukan retak. Nilai kekerasan di HAZ CuNi berkisar antara 128,3-137,9 VHN, di logam las (Weld Metal) antara 177-195 VHN, dan di  HAZ FeCrNi berkisar  antara  195-210 VHN. Hasil sambungan las berupa struktur dendritic dengan  bentuk butir epitaxial di sekitar fusion  line . Sambungan las CuNi-FeCrNi telah menunjukkan hasil pengelasan GTAW yang baik dan dapat digunakan pada pemakaian sambungan las peralatan penukar panas di industri.
Kata kunci: copper nickel, nickel-chromium iron steel, dissimilar metal, heat input

## ABSTRACT
The problems of dissimilar metal CuNi-FeCrNi Alloys are penetration and mechanical properties. In order to get a good quality of welding, the  welding of CuNi-FeCrN  Alloys  has been designed using heat input 2145 to 4680 J/cm. The results are good joint penetration on wide bevel and vertical joints, the structure of welding joint area has no imperfection and mechanical properties of welded metal are better than the base metal. The mechanical properties are tensile strength 46.56 kg/mm 2 , elongation 31.25%, reduction of area 33.10%. Fracture area  in fusion line weld of CuNi has no defect. Besides, bending test result has shown no crack. In addition, the hardness values are in the range of 128.3-137.9 VHN on the CuNi HAZ, 177-195 VHN on Weld Metal, and 195-210 VHN on HAZ of FeCrNi. Based on the results above, the welding of CuNi-FeCrNi  Alloys could be applied in joining heat exchanger equipment in industries.
Keywords: copper nickel, nickel-chromium iron steel, dissimilar metal, heat input

## PENDAHULUAN
Penelitian yang dilakukan pada sambungan las pipe, tube, dan fitting bahan CuNi Alloys UNS C71500 [1]  pada baja FeCrNi  Alloys [2]  dengan proses las Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) ditujukan untuk mendapatkan sifat mekanik (kekuatan tarik, bending, dan kekerasan) dan karakteristik metalografi (struktur makro dan mikro). Hal ini karena pada pengelasan logam dissimilar metal masih cenderung timbul cacat
retakan di fusi las dan porositas di deposit las. Sambungan las dissimilar metal berkaitan dengan interaksi antara Weld Metal (WM) dan Base Metal (BM)  ketika proses las yang melibatkan pemanasan dan pendinginan dapat mem- pengaruhi perubahan struktur mikro pada Heat Affective Zone (HAZ) dan Weld Metal. Sehingga akan terjadi perubahan sifat fisik, sifat mekanik, dan karakteristik struktur mikro [3]. Faktor-faktor kegagalan las pada dissimilar  weld metal untuk bahan CuNi  Alloys dan FeCrNi Alloys di-
antaranya: kondisi rapuh akibat kandungan timah hitam (Pb) atau Belerang (S), oleh karena itu kadar Pb pada proses sambungan dissimilar metal harus serendah mungkin (0,01 %) [4]. Kontaminasi belerang (Sulfur) dari pelumas yang melekat pada permukaan logam harus dihindari dengan melakukan pembersihan pada permukaan sambungan las, sedangkan untuk menghindari retakan selama  proses pengelasan, kandungan Phosfor (P) pada filler metal diharapkan lebih rendah dari 0,02% [4].  Masalah pokok pada sambungan las CuNi Alloys adalah pengotor yang biasanya akan memberikan reaksi ke logam lasan sehingga memungkinan terjadinya retakan dan atau porositas. Unsur pengotor pada proses fabrikasi CuNi Alloys walaupun sulit dihindari tetapi harus dijaga serendah mungkin, ketika proses dilusi CuNi Alloys yang cenderung menyerap gas O 2 , H 2 dan N 2 . Porositas akan timbul jika gas ini masuk dan terjebak dalam proses pembekuan logam lasan. Akan tetapi hal ini dapat  dihindari dengan penggunaan paduan filler  metal yang ditambahkan bahan deoksidan, seperti Titanium (Ti) dan Mangan (Mn) [4].
Pemilihan filler  metal untuk proses las GTAW  pada sambungan dissimilar  metal ditentukan oleh kelarutan logam yang dapat dikontrol tanpa terbentuk senyawa intermetalik.
Kesesuaian logam induk perlu diperhatikan untuk menentukan pilihan parameter las yang menghasilkan kelarutan minimum dan sifat-sifat yang diinginkan dari kedua logam yang dilas. Fenomena dilusi pada kedua logam yang disambung harus dijaga. Caranya dengan mengatur stabilitas heat input yang optimal sehingga menghasilkan ikatan metalurgi dan penetrasi logam las ke base metal secara optimal. Pengaruh pencairan unsur Cr dan Ni yang terjadi di antara filler dan base metal FeCrNi Alloys perlu diperhatikan dengan cara mengontrol heat input dan shielding gas.
Kinerja parameter las penentu heat input untuk menghasilkan fusi las yang baik (melibatkan fasa cair dan padat) pada sambungan las bahan berbeda, dapat dianalisis secara kuantitatif dengan uji mekanik, misalnya dengan pengujian kekerasan.

## BAHAN DAN METODE
Bahan yang digunakan dalam penelitian pengelasan dissimilar  metal CuNi Alloys  UNS C71500 dan baja karbon FeCrNi Alloys, dengan bahan kandungan komposisi kimia sebagaimana pada Tabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1. Komposisi Baja Karbon FeCrNi Alloys No Unsur Hasil Uji Standar JIS G 4102 1 Karbon (C) 0,13 0,12-0,18 2 Silikon (Si) 0,19 0,15-3,5 3 Mangan (Mn) -- 0,35-0,65 4 Fosfor (P) 0,089 0,030 mak 5 Belerang (S) 0,0047 0,030 mak 6 Nikel (Ni) 3,39 3,0-3,5 7 Khrom (Cr) 2,77 0,7–1,00 8 Besi  (Fe) Sisa Sisa Tabel 2. Komposisi Bahan CuNi Alloys Unsur Hasil Uji Standar JIS C 7150 P Timah hitam (Pb) -- 0,05 mak Besi (Fe) 1,13 0,40 – 1,0 Seng (Zn) -- 0,50 mak Mangan (Mn) 0,88 0,2 – 1,0 Nikel (Ni) 27,14 29,0 – 33,0 Tembaga (Cu) Sisa Sisa
Penelitian sambungan las dissimilar  metal pada bahan CuNi Alloys  UNS C71500 baja FeCrNi Alloys menggunakan proses las GTAW parameter  las Heat Input sebagaimana pada Tabel 3 [5]. Tujuan penelitian ini adalah  me- ngamati:  kedalaman  penetrasi, sifat mekanik, karakteristik metalografi pada tepi sambungan las logam CuNi Alloys, logam  baja FeCrNi Alloys dan deposit las (all weld metal). Design welding single V dengan melakukan beveling pada tepi- tepi logam sudut  sisi 30 o , mesin las yang digunakan  harus dalam keadaan berfungsi baik,
gas shielding yang digunakan type gas argon UHP  (99,997%),  Permukaan logam  pelat sambungan yang akan dilas maupun filler  metal dibersihkan dari kotoran debu atau minyak pelumas supaya tidak terjadi kontaminasi pembentuk porositas.
Untuk mengukur kekuataan sifat mekanik dilakukan pengujian mekanik meliputi: uji tarik, dan uji kekerasan lokasi logam  las, logam dilusi, logam HAZ dan bahan induk antara CuNi Alloys dan FeCrNi Alloys ,
Tabel 3. Parameter Las Proses GTAW
Metal CuNi Alloys dan FeCrNi Alloys Jenis pengelasan GTAW Elektroda EWTh2 Diameter elektroda 2,4 mm Filler metal ER Cu-Ni Diameter filler 2 mm Arus pengelasan Root pass (65-90)A, fillerpass (90-120)A Tegangan busur 11- 13 Volt Jenis arus listrik DC (input) Polaritas DCEN/DCSP Gas pelindung Argon 99,997% (UHP) Flow rate gas 12 l/menit Backing gas 12 l/menit
Uji  bending  dilakukan untuk mengukur kekuatan dan keuletan sambungan las. Hasil uji bending  harus baik, akan tetapi bilamana terjadi retakan tidak boleh melebihi 3,2 mm, persyaratan ASME Sec IX [6].
Pengujian metalografi, struktur struktur makro untuk mengamati  kedalaman  penetrasi kearah  vertikal  dan ke samping serta kemulusan sambungan las, dengan persyaratan tidak boleh ada cacat akibat las, pengamatan mikrostruktur untuk mengetahui fasa yang terjadi pada base metal , HAZ dan weld metal .
Sedangkan parameter Heat  Input, HI dihitung berdasarkan [6]:
𝐻𝐼 = 𝐼 . 𝑉 . 60 𝑣 ( 𝐽 𝑐𝑚 ⁄ ) .... (1)
dimana  V=tegangan, arus I ,  kecepatan las, v berkisar  antara  15 s.d 18 cm/min untuk sisi akar las, dan kecepatan las 18 s.d 20 untuk filler pass dan cupping pass. Berdasarkan rumus  (1)
perhitungan tersebut nilai HI  adalah 2145 s.d 4680 J/cm.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil uji komposisi kimia bahan dengan metode Spectrometri pada CuNi Alloys terdapat perbedaan nilai prosentasi komposisi di- bandingkan terhadap standar (JIS C7150), unsur besi  (Fe)  lebih tinggi 1,13% dan Nickel lebih rendah 27,14%. Unsur-unsur pokok tembaga (Cu) dan nickel (Ni) sesuai standar. Dan unsur tambahan besi (Fe) dan mangan (Mn) mendekati standar. Sedangkan hasil uji kom-posisi kimia pada baja FeCrNi Alloys dengan metode spektrometri  sesuai dengan JIS G  4102 (Tabel 1),  komposisi unsur 3,39% Ni akan memberikan pengaruh sifat keuletan dan ketangguhan bahan meningkat, sedangkan unsur 2,77%  Cr    akan memberikan nilai kekerasan tinggi.
Hasil pemeriksaan  visual pada sambungan las sisi muka maupun sisi akar las, ripple las sepanjang sambungan las rata tidak terdapat cacat-cacat las: porositas, under cut, slag , dan lack of penetration . Hasil uji makroskopik bentuk penampang bidang permukaan sambungan las baik, tidak terdapat cacat-cacat: lack of fusion, lack  of penetration, slag, porositas, maupun undercut .  Hasil las yang baik (Gambar 1) ditunjukkan dengan penetrasi pada akar las baik, dilusi yang baik,  dan perpaduan seragam dari kedua bahan yang disambung oleh filler metal.
Gambar 1. Struktur Makro Sambungan Las
Gambar 2. Penampang Patahan ductile Hasil Uji Tarik
Hasil uji tarik pada sambungan las Weld Metal =  46,56 kg/mm 2 lebih tinggi dari pada kekuatan tarik logam paduan CuNi Alloys (40 kg/mm 2 )  akan tetapi lebih rendah dari pada logam baja FeCrNi Alloys  60 kg/mm 2. .  Lokasi patah  terjadi di sambungan las dengan nilai elongasi 31,25% dan reduksi penampang 33,10% yang menunjukkan  sifat ductile (Gambar 2). Permukaan bidang patahan mengecil dan miring akibat beban tarik dan geser, patahan membentuk sudut 45 o , di daerah garis fusi (fusion line) antara logam las dan bagian logam paduan tembaga CuNi Alloys . Hasil pengelasan dikatagorikan baik karena putus diluar logam las dan nilai kuat tariknya 46,56 kg/mm 2 lebih tinggi dari pada base metal CuNi Alloys .
Tabel 4. Hasil Uji Tarik Sambungan Las
Lebar x tebal, mm 19,3x7,9 Luas penampang, mm 2 152,47 Panjang ukur, mm 32 Beban uji, kg 7100 Panjang setelah patah, mm 42 Lebar x tebal setelah patah, mm 17x7 Luas setelah patah, mm 2 119 Kekuatan tarik CuNi Alloys *) , kg/mm 2 40 Kekuatan tarik FeCrNi Alloys *) , kg/mm 2 62 Kekuatan tarik sambungan las, kg/mm 2 46,56 Lokasi patah Weldment Reduksi penampang, % 33,10 Perpanjangan, % 31,25 *) Standar spesifikasi material Pengujian bending dilakukan pada specimen uji bending hingga membentuk huruf U [6].  Ketika  sambungan las ini dibengkokkan, maka terjadi  perubahan bentuk akibat tegangan tarik  dan tegangan  tekanan  sedangkan  pada sumbu material  bersifat  netral.  Bagian rapuh akan retak sedangkan bagian ulet tidak akan retak. Hasil uji bending  tidak terjadi retakan, menunjukan bahwa logam las tersambung sempurna tidak ada inklusi  pada  HAZ  maupun weld metal yang  dapat  memicu timbulnya retakan, sehingga sifat rapuh dan ulet tidak berpengaruh terhadap gaya tarik maupun gaya tekan (Tabel 5).
Tabel 5. Hasil Uji Bending Panjang spesimen 22,5 mm Lebar spesimen 3,5 mm Luas bidang spesimen 78,75 mm 2 Beban uji maksimum 2.671 kg Tegangan bending 33,9 kg/mm 2 Hasil uji Tidak terjadi retakan
Nilai kekerasan baja FeCrNi Alloys di Base Metal (BM Ni-Cr) 204 s.d 266 VHN lebih tinggi daripada logam las Weld Metal ER Cu-Ni 177 s.d 195 VHN dan CuNi Alloys di Base Metal ( BM Cu-Ni) 148 s.d 156 VHN, perbedaan hasil uji kekerasan dari masing-masing lokasi ditunjukkan pada Tabel 5.  Pada paduan baja FeCrNi Alloys terjadi mekanisme penguatan akibat fasa kedua pearlite (alpha+Fe 3 C) selain
itu ada unsur Chrom (Cr), semakin tinggi kandungan yang terdapat pada bahan ini maka bahan  ini akan semakin keras. Sedangkan pada bahan CuNi Alloys tidak terjadi mekanisme seperti itu.  Pada bahan CuNi Alloys hanya terjadi mekanisme penguatan larut padat substitusi. Daerah  HAZ  di bahan CuNi Alloys ini menunjukan nilai kekerasan yang lebih rendah dari pada logam dasarnya. HAZ nya hanya mengalami pertumbuhan butir yang diikuti oleh proses pendinginan relatif rendah (lambat), sedangkan daerah logam las adalah daerah melting mengalami pendinginan relatif cepat sehingga terjadi pengerasan biasanya strukturnya dendritic . Dan pada weld metal terjadi pelarutan unsur-unsur dari bahan CuNi Alloys , baja FeCrNi Alloys dan unsur filler metal.
Tabel 6. Hasil Uji Kekerasan
BM FeCrNi (VHN) HAZ FeCrNi (VHN) WM ER CuNi (VHN) HAZ CuNi (VHN) BM Cu-Ni (VHN) 254 220 195 128,3 152,4 266 220 177 128,3 152,4 237 220 191 128,3 148,6 232 233 179 131,4 148,6 248 233 179 134,6 156,4 237 230 179 134,6 156,4 237 230 182 137,9 156,4 220 210 182 137,9 154,8 220 210 182 137,9 154,8 207 213 182 137,9 154,8 204 213 182 137,9 148,6
Hasil pengamatan mikroskopis pada daerah logam las struktur yang terbentuk adalah dendritic atau struktur pohon terjadi sel satuan unit FCC (Face  Centre  Cubic) disebabkan oleh proses pendinginan cepat akan terbentuk segregasi  penyebab  ketidak homogenan struktur. Pada daerah fusion line struktur yang terbentuk adalah dendritic dan epitaxial . Struktur epitaxial terbentuk karena adanya kontak dengan tempat yang mempunyai komposisi bahan yang sama. Laju pertumbuhan struktur lebih cepat dari pada laju pengintian oleh proses pendinginan cepat dari perubahan temperatur tinggi ke rendah. Pada daerah fusion line baja FeCrNi Alloys struktur mikro yang terbentuk adalah dendritic , dan fasa HAZnya ferrite dan pearlite.
Gambar 3. Lokasi Fusion Line CuNi Alloys dan Logam Las Gambar 4. Struktur Mikro Weldment
Gambar 5. Lokasi Fusion Line Baja FeCrNi Alloy

## KESIMPULAN
Sambungan las dissimilar metal  CuNi- FeCrNi Alloys dapat dilakukan dengan meng- gunakan metoda GTAW . Hasil pengelasan menunjukkan penetrasi weld metal yang  baik pada sisi bevel dan arah vertical. Struktur makroskopis penampang sambungan las tidak terdapat cacat-cacat las. Pengujian kekuatan tarik menghasilkan  patah  pada weld metal di  daerah fusion line CuNi dan merupakan patahan ductile.
Kekuatan  tarik 46,56 kg/mm 2 ,  keuletan 31,25%, reduksi penampang  33,10%.  Hasil uji bending  menunjukkan  tidak  terdapat  retak. Nilai kekerasan: di HAZ CuNi antara 128,3-137,9 VHN, di Weld Metal antara  177-195 VHN, dan di  HAZ  FeCrNi antara 195-210 VHN. Nilai kekerasan  tertinggi  ada  pada base  metal FeCrNi dan nilai kekerasan  terendah  pada  daerah  HAZ CuNi.  Struktur dendritic dengan bentuk butir epitaksial terbentuk  pada weld  metal dan  daerah fusion  line. Sedangkan  pada fusionline FeCrNi adalah dendritic dengan  fasa  kearah base metal berupa  ferit dan  perlit . Sambungan las CuNi- FeCrNi  Alloys telah menunjukkan hasil yang baik dan dapat digunakan pada pemakaian sambungan las peralatan penukar panas di Industri.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] JIS  Handbook,  1995, Non-Ferrous  Metals
and Metallurgy, Japanese Standards
Association.
[2] JIS  Handbook,  1995, Ferrous  Metal  and Metallurgy ,  Japanese  Standards  Asso- ciation.
[3] Wiryosumarto, Harsono dan Okumura, Tohsie, 2004, Teknologi Pengelasan
Logam, PT Pradnya Paramita, Jakarta. Hal.
29-33.
[4] Deoxidized Copper Alloys  No.  189 Description  03 Agustus 2007 p.  1., http://www.weldcotemetals.com, diakses
Desember 2014
[5] Standar Test Methods and Definions for Mechanical Testing of Steel Products, 2010, American Society for Testing Metals , an American National Standard P 5, 6, 41, 48, 49.
[6] ASME SEC IX, 2013, Welding, Brazing, and Fusing Qualification , Boiler and Pressure  Vessel Code.  P 90.
[7] Welding Handbook, 2007, Welding Processes, part 2,  9 th Edition, Volume 3, American Welding Society, USA.
[8] Welding Handbook, 2003, Metals and Application, part 3,  9 th Edition, Volume 1, American Welding Society. USA.
[9] J.R. Davis, Davis & Associates, Hardfacing, weld Cladding, and Dissimilar Metal Joinning, Brazing and Soldering ,
ASM International Handbook Committee, Volume 6, sixth printing, USA, P 822-828.
[10]  Grantken Hicken, 2003, Sandia National Laboratory, Gas Tungsten Arc  Welding, Brazing and Soldering, ASM International Handbook Committee, Volume 6, sixth printing, USA. P190-194.