## PENGARUH SOLUTION HEAT TREATMENT TERHADAP SIFAT FISIS DAN MEKANIK PROSES PENGELASAN FSSW AA6063-T5
Ciptadi Natawiguna 1 , Nurul Muhayat 1 , Teguh Triyono 1
1 Program Studi Teknik Mesin – Universitas Sebelas Maret e-mail addresses : ciptadinatawiguna.10@gmail.com
Keywords :
Abstact: FSSW, AA6063-T5, solution heat treatment, precipitation. Friction stir spot welding (FSSW) of aluminum alloy AA6063-T5 will decrease the  strength  and  hardness.  Physical  and  mechanical  properties  of  aluminum alloy  can  be  improved  by  heat  treatment.  Heat  treatment  is  affected  by temperature and holding time. The heat treatment process used for this research was  solution  heat  treatment  with  temperature  variation  470,  500,  530 o C  and holding time 1 and 2 hours. The tests included microstructure test, tensile shear test and vickers hardness test. Result of the research, it was found that Mg 2 Si particles  were  precipitated  from  the  grain  boundaries  part  into  the  aluminum matrix with the coarser size and the distance was increasing as the temperature and the holding time increases. The highest shear tensile strength of 3735,2 N was obtained from the temperature variation of 470 o C and the holding time of 1  hour.  The  lowest  tensile  shear  strength  of  3172,6  N  was  obtained  from temperature  variation  of  530 o C  and  2  hours  of  holding  time.  The  highest hardness value was obtained of 470 o C variation and 1 hour was 43,7 HVN and the lowest hardness value at 530 o C variation and 2 hours of holding time was 30,1 HVN.

## PENDAHULUAN
Aluminium dan paduannya merupakan logam yang  banyak  digunakan  di  bidang  teknik  karena mempunyai  berbagai  keunggulan  antara  lain ringan, mempunyai sifat mampu bentuk ( formability )  yang  baik,  kekuatan  tarik  relatif tinggi,  tahan  korosi.  Sifat  mekanik  dari alumunium  paduan  dapat  ditingkatkan  dengan pengerjaan  dingin  atau  perlakuan  panas,  serta mempunyai  sifat  mampu  las  ( weldability )  yang bervariasi  tergantung  pada  jenis  paduannya. Berbagai kelebihan di atas menyebabkan aluminium  dan  paduannya  banyak  digunakan  di bidang  struktur  dan  pemesinan,  seperti  pesawat terbang, kapal, kendaraan serta industri otomotif.
Pengelasan  merupakan  bagian  yang  penting dalam  suatu  proses  industri, dan  kebutuhan  akan pengelasan sangat tinggi oleh karena itu teknologi pengelasan  semakin  lama  semakin  berkembang. Penggunaan teknologi las biasanya dipakai dalam bidang konstruksi, otomotif, perkapalan, pesawat terbang, dan bidang lainnya yang dalam beberapa tahun  terakhir  ini  mengembangkan  teknologi material ringan seperti alumunium alloy .
Baru-baru  ini,  varian  dari  FSW  disebut Friction  Stir  Spot  Welding (FSSW)  telah dikembangkan  dan  diimplementasikan  dalam industri  otomotif  sebagai  pengganti resistance spot  welding untuk  aluminium.  Pada  dasarnya, sistem  kerja  FSSW  sama  dengan  FSW,  yang membedakan  adalah  gerakan  dalam  proses eksekusi. Pada FSW, tool bergerak sepanjang
bagian yang dilas, sedangkan FSSW terfokus pada sambungan  satu  titik  yang  disebut  sebagai sambungan titik (spot). Selama proses FSSW, pin mengalami  kontak  langsung  dengan  benda  kerja untuk  waktu  yang  lebih  lama.  Akibatnya,  gaya gesekan antara pin dan benda kerja menghasilkan sebagian  besar  energi  panas.  Karakteristik  ini membuat proses FSSW berbeda dari proses FSW (Awang, 2007).
Namun  demikian  las  FSSW  mempunyai kelemahan  dalam  mengelas  material  alumunium paduan  khususnya  AA6063,  yaitu  pada  daerah HAZ
(Heat Affected Zone), TMAZ (Thermomechanically  Affected  Zone) dan  daerah las  ( nugget )  sepanjang  garis  sambungan  benda kerja,  mengalami  pelunakan  akibat  rekristalisasi saat  proses stirring ,  sehingga  kekerasan  dan kekuatan  tarik  menurun.  Untuk  meningkatkan kekerasan  dan  kekuatan  tarik  daerah  lasan tersebut,  benda  las  perlu  mendapat  perlakuan panas  kembali  dengan  proses precipitation hardening . Proses precipitation hardening tersebut  dapat  dilakukan  dengan  beberapa rangkaian  dan  merupakan  rangkaian heat treatment yang kedua, dimana sebelum melakukan precipitation hardening benda las harus diperlakukan solution  heat  treatment terlebih dahulu .
Solution  heat  treatment merupakan  proses perlakuan panas ulang ( reheating ) dan pendinginan yang terkontrol yang dilakukan pada hasil pengelasan suatu komponen, dengan tujuan
mengubah sifat fisis dan sifat mekanis dari suatu bahan atau logam sesuai dengan yang diinginkan (Kamenichny, 1969). Penelitian ini akan membahas  tentang  pengaruh solution  heat treatment terhadap sifat fisik dan mekanik proses pengelasan  FSSW  dengan  material  AA6063-T5 serta fenomena yang terjadi ketika proses solution heat treatment berlangsung.

## METODOLOGI PENELITIAN

## Bahan
Plat  alumunium yang  digunakan  untuk mengelas FSSW. Plat AA6063-T5 berdimensi 100 x 25 x 3 mm yang akan dilas FSSW dengan sambungan lap joint .

## Proses Persiapan
Pembuatan  spesimen  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  yaitu  dengan  pengelasan friction  stir spot welding (FSSW). Pengelasan dilakukan menggunakan  mesin milling yang  dimodifikasi dibagian tool nya.  Parameter  yang  dipakai  untuk pembuatan  spesimen  las  yaitu  kecepatan  putar  1600 rpm, diameter shoulder 12 mm, diameter pin 7 mm, plunge  depth 4  mm  dan dwell  time 5  s.  Kemudian spesimen  las  tersebut  diperlakukan solution  heat treatment menggunakan mesin furnace dengan variasi suhu  sebesar  470,  500,  530 o C  dan  ditahan  dengan lama  waktu holding  time 1  dan  2  jam,  kemudian didinginkan cepat ( quenching ) mengggunakan air.

## Gambar 1 Spesimen hasil pengelasan FSSW

## Pengujian
Pengujian yang dilakukan adalah uji kekerasan, tarik geser dan foto mikrostruktur.
a. Uji keras
Uji  keras  bertujuan  untuk  mengetahui  ketahanan suatu material terhadap deformasi plastis pada daerah lokal  dan  permukaan  material.  Pengujian  ini menggunakan  alat  uji  keras micro  hardness  vickers dengan mengunakan ASTM E384. Uji keras Vickers sering disebut Diamond Pyramid Hardness Test yaitu dengan  menggunakan  indentor  berbentuk  piramida yang  saling  berhadapan  membentuk  sudut  136 o . Angka kekerasan vickers didefinisikan sebagai beban dibagi luas permukaan lekukan. Pada prakteknya, luas ini  dihitung  dari  pengukuran  mikroskopik  panjang diagonal jejak.
b. Uji kekuatan tarik geser
Uji  kekuatan  tarik  geser  adalah  salah  satu  uji stress-strain mekanik yang bertujuan untuk mengetahui  kekuatan  suatu  bahan  dengan  cara memberikan beban gaya yang berlawanan arah dalam
satu  garis  lurus.  Pengujian  ini  menggunakan  alat  uji UTM ( Universal Testing Machine ) dengan mengunakan ASTM E8/E8M. c. Uji mikrostruktur
Pengujian mikrostruktur bertujuan untuk mengetahui  perubahan  bentuk  struktur  mikro  dan persebaran  endapan  partikel  (presipitat)  yang  terjadi pada  spesimen  uji  dan  pengaruhnya  terhadap kekerasan dan kekuatan tarik.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil pengujian mikrostruktur
Observasi  mikroskopik  dilakukan  sesuai  dengan pemetaan  daerah  seperti  pada  Gambar  2.  Observasi mikroskopik  menunjukan  struktur  mikro  pada  hasil sambungan  bahwa  pada  tiap  daerah  yang  diamati (BM,  HAZ,  TMAZ,  dan  SZ)  terdapat  karakteristik perbedaan daerah yang sama.
Gambar 2 Foto pemetaan daerah  pengelasan FSSW
Hasil observasi mikroskopik pada daerah HAZ untuk  setiap  variasi  ditunjukan  pada  Tabel  1.  Pada daerah  HAZ  yang  telah  di solution  heat  treatment partikel Mg 2 Si mengalami presipitasi, sehingga letak partikel Mg 2 Si yang berasal dari sekeliling batas butir berpindah/mengalami  endapan  ke  dalam  butiran ⍺ . Kemudian  dengan  pendinginan  cepat  menggunakan quenching mengakibatkan  partikel  Mg 2 Si  tersebut akan mempertahankan bentuknya pada fasa tunggal.
Proses pendinginan dilakukan di dalam media cair yang bertujuan untuk mempertahankan larutan padat yang terbentuk selama proses solution heat treatment . Media  pendingin  yang  digunakan  pada  proses  ini yaitu  air  dengan  temperatur  28 o C.  Pendinginan  ini juga berfungsi untuk mempertahankan jumlah tempat atom  kosong  yang  dibutuhkan  selama  proses pembentukan  endapan.  Pengaruh  dari  menambah besarnya  suhu solution  treatment maka  ukuran  butir di daerah HAZ akan tampak bertambah besar, begitu pula  dengan  seiring  bertambahnya  waktu heat treatment nya  ( holding  time) .  Pada  Tabel  1 menunjukkan  bahwa  ukuran  butir  pada  daerah  HAZ yang paling besar terbentuk pada variasi spesimen C2 (suhu solution heat treatment 530 o C dan holding time 2 jam).

## Tabel 1 Observasi mikroskopik daerah HAZ
Tabel 2 Observasi mikroskopik daerah TMAZ
Hasil observasi mikroskopik TMAZ dapat dilihat pada  Tabel  2.  Bagian  TMAZ  ditunjukan  dengan ukuran  butiran alumunium  alloy yang  lebih  kecil dibandingkan  ukuran  butiran  pada  HAZ.  TMAZ merupakan daerah yang terkena panas serta deformasi plastis akibat desakan dari tool pada material selama proses  penyambungan.  Karakteristik  TMAZ  dapat dilihat dari arah orientasi butir yang seragam karena terbentuk  menyesuaikan  arah  adukan  material. Terlihat  pada  Tabel  2  bahwa  variasi  spesimen  A1 memiliki ukuran butir yang paling kecil dibandingkan dengan variasi yang lainnya. Hal ini disebabkan oleh suhu solution heat treatment yang diperlakukan pada spesimen A1 adalah suhu dengan variasi yang  paling
rendah  yaitu  470 o C dan  holding  time 1  jam. Sedangkan  ukuran  butir  paling  besar  pada  daerah TMAZ  didapat  dari  variasi  spesimen  C2.  Hal  ini disebabkan  oleh  suhu solution  heat  treatment yang diperlakukan pada  spesimen C2  adalah  suhu  dengan variasi  yang  paling  tinggi  yaitu  530 o C  dan holding time 2 jam.

## Tabel 3 Observasi mikroskopik daerah SZ
Data  observasi  mikroskopik  pada  SZ  ( stir  zone ) ditunjukan pada Tabel 3. Butir yang terdapat pada SZ memiliki ukuran butir yang paling kecil dibandingkan dengan daerah lainnya.

## Hasil pengujian tarik geser
Pengujian tarik geser dilakukan untuk mengetahui  sifat  mekanik  dari  hasil  pengelasan dengan  pembebanan  maksimum.  Beban  yang diberikan pada sambungan las merupakan beban statis dengan  beban  sebesar  20  kN  dan  dengan  kecepatan penarikan 5 mm/min. Hasil dari pengujian tarik geser pada  sambungan  las  FSSW  setelah  proses solution heat treatment ditunjukan pada Gambar 3.
Gambar 3 Grafik hasil pengujian tarik geser
Berdasarkan  grafik  nilai  hasil  pembebanan  uji tarik  geser  diatas  didapatkan trend yang  berbeda untuk  setiap  variasi.  Variasi  spesimen  A1  (suhu solution heat treatment 470 o C dan holding time 1 jam) memiliki  nilai  pembebanan  tarik  geser  yang  lebih besar  besar  daripada  variasi  spesimen  yang  lainnya. Variasi spesimen A1 memiliki nilai pembebanan tarik geser  tertinggi  yaitu 3735,2 N.  Variasi  spesimen  B1 (suhu solution heat treatment 500 o C dan holding time 1 jam) menghasilkan trend yang turun yaitu 3522,59 N, begitupun juga dengan variasi spesimen C1 (suhu solution  heat  treatment 530 o C  dan holding  time 1 jam).
sekitar sambungan mengalami pembengkokan terlebih dahulu sebelum patah. Hasil yang didapatkan bahwa pengaruh dari nilai tensile shear load dan nilai kekerasan  vickers  yang  lebih  baik  serta  luas sambungan yang lebih besar akan menghasilkan mode patahan pullout .  Patahan pullout mampu  menahan gaya  yang  lebih  baik  pada  pengujian  tarik  geser dibandingkan  dengan  sambungan  yang  memiliki mode patahan interface (Zhang, 2011).
Tabel 4 Mode patahan tampak samping hasil uji tarik geser
Variasi  spesimen  A2  (suhu solution  heat treatment 470 o C  dan holding  time 2  jam)  memiliki nilai  pembebanan  tarik  geser  yang  lebih  besar dibanding  variasi  spesimen  B2  (suhu solution  heat treatment 500 o C  dan holding  time 2  jam),  dan  nilai pembebanan  tarik  geser  variasi  spesimen  C2  (suhu solution heat treatment 530 o C dan holding time 2 jam) menunjukkan  hasil  nilai  beban  uji  tarik  terendah diantara variasi-variasi lainnya yaitu 3172,6 N. Hal ini didukung  dengan  penelitian  Totik  yang  menyatakan bahwa  nilai  regangan  akan  naik  dan  tegangan  tarik akan  turun  seiring  dengan  pertambahan  suhu homogenisasi  (Totik,  2003).  Selain  itu  juga disebabkan  oleh  meluasnya hook yang  merambat keatas  sampai  dengan  daerah nugget pada  benda  las yang  diakibatkan  oleh  retakan  panas  ( hot  cracking ) dari proses solution heat treatment dengan suhu 530 o C  dan holding  time 2  jam  kemudian  didinginkan secara  cepat  ( quenching )  dengan  air  seperti  yang ditunjukkan  pada  Gambar  4.  Sebagai  perbandingan, spesimen BSHT ( before solution heat treatment ) atau spesimen yang telah dilas FSSW dan sebelum diberi perlakukan solution  heat  treatment menghasilkan nilai beban uji tarik geser yang lebih tinggi daripada spesimen yang sudah diberi perlakukan solution heat treatment , yaitu sebesar 4660,1 N.
(a) (b)
Gambar 4 (a) Hook pada spesimen BSHT, (b) Hook spesimen  C2  (suhu  530 o C;waktu  2  jam)  yang merambat akibat retakan panas.
Mode  patahan  yang  terjadi  pada  tiap  variasi membuktikan hubungan antara nilai tensile shear load dengan  nilai  kekerasan vickers dan  juga  besarnya daerah stir  zone .  Dapat  dilihat  pada  Tabel  4  bahwa pada  semua  variasi  A1,  A2,  B1,  B2,  C1  dan  C2 mengalami mode patahan pullout dimana pada daerah
Hasil uji keras vickers
Gambar 5 Titik pengambilan data uji keras Micro Vickers Hasil pengujian kekerasan micro vickers menunjukan  adanya trend yang  hampir  sama  pada setiap spesimen, nilai kekerasan sambungan tertinggi diperoleh  pada  lokasi stir  zone atau  biasa  disebut nugget . Namun masih terdapat sedikit perbedaan pada persebaran  kekerasan  pada  penelitian  ini.  Sebagai perbandingan nilai hasil uji kekerasan tertinggi yang dihasilkan  dari  spesimen  BSHT  ( Before  Soloution Heat  Treatment )  yaitu  53,3  HV  yang  didapat  pada nugget tepatnya  di  daerah  sekeliling keyhole . Kemudian nilai kekerasan tertinggi ditunjukkan oleh variasi  A1  (suhu solution  heat  treatment 470 o C  dan holding time 1 jam) dengan nilai kekerasan 43,7 HV terdapat pada sisi tepi stir zone atau  tepatnya
didapatkan pada nugget tepatnya di daerah sekeliling keyhole yaitu  pada  titik  nomer  2  dan  -2  dari  skema gambar  lokasi  pengambilan  data  uji  keras vickers seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 6 Grafik hasil uji Micro Vickers dengan suhu solution heat treatment selama 1 jam pada suhu 470, 500, 530 o C dan BSHT.
Gambar 7 Grafik hasil uji Micro Vickers dengan suhu solution heat treatment selama 2 jam pada suhu 470, 500, 530 o C dan BSHT.
Center of nugget merupakan daerah dengan nilai kekerasan    tinggi    karena    memiliki temperatur tertinggi pada proses pengelasan FSSW. Hal ini didukung oleh penelitian Elangovan dkk  (2008) yang mendapatkan nilai kekerasan tertinggi  berada pada center of nugget pada  AA6061.  Daerah center of nugget ini  mengalami   perubahan deformasi plastis yang hebat akibat  desakan pin dan putaran tool pada permukaan benda  kerja.  Hal ini mengakibatkan mengecilnya ukuran  butir yang dihasilkan. Dengan semakin  mengecilnya ukuran butir yang dihasilkan maka ikatan antar  butir  yang terbentuk akan semakin banyak.  Pernyataan  ini didukung oleh penelitian Chi-Sung dkk (2012) yang menyatakan bahwa ukuran butir di  bawah pin disebabkan oleh deformasi akibat  torsi bertekanan tinggi disertai dengan peningkatan  temperatur.  Hal inilah yang menyebabkan nilai kekerasan  tertinggi berada pada center of nugget sambungan  las FSSW. Sedangkan nilai kekerasan terendah  didapatkan dari variasi C2 (suhu solution heat treatment 530 o C dan holding time 2 jam) dengan nilai kekerasan 30,1
HV  terdapat  pada  daerah  HAZ  atau  tepatnya  pada titik nomer 8 dari skema gambar lokasi pengambilan data uji keras vickers seperti yang ditunjukkan pada Gambar  5.  Berkurangnya  nilai  kekerasan  pada daerah  HAZ  dan  TMAZ  dari  material  dapat diakibatkan  oleh  menghilangnya  efek strain hardening yang  merupakan hardening  treatment pada  awal  proses  penguatan  material  dengan  cara cold  work  rolling .  Efek cold  work  rolling hilang dikarenakan  tercapainya  temperatur  rekristalisasi dari  material  yang  disebabkan  oleh  proses pengelasan  akibat  desakan tool terhadap  material yang  meningkatkan  temperatur  sehingga  efek dislocation density pada batas butir menghilang dan mengakibatkan kekuatan ikatan antar butir berkurang. Dislocation  density adalah  jumlah banyaknya  dislokasi  yang  terjadi  pada  luasan material.  Karena  dislokasi  berbentuk  garis,  maka dirumuskan menjadi panjang total garis dislokasi per volume material. Tujuan dari work hardening adalah menguatkan  material  dengan  cara  memberikan deformasi  plastis  pada  temperatur  yang  jauh  lebih rendah dari melting point sehingga nilai dislocation density akan bertambah (Shoba, 2015).
Dari  grafik  hasil  uji  keras vickers yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7 dapat dilihat bahwa terjadi  penurunan  nilai  kekerasan  berturut-turut  dari variasi  A1  ke  C2.  Semakin  menurunnya  nilai kekerasan dari variasi spesimen ini dipengaruhi oleh suhu solution heat treatment dan waktu holding time. Semakin  besar  suhu solution  heat  treatment dan semakin  lama  waktu  pemanasan  mengakibatkan endapan  partikel  Mg 2 Si  menjadi  tersebar  pada  jarak yang  agak  berjauhan,  serta  akan  membuat  ukuran endapan  partikel  tersebut  membesar  seperti  yang terlihat pada Tabel 1, 2 dan 3. Terjadinya hal tersebut akan  mengakibatkan  nilai  kekuatan  dan  kekerasan material akan menjadi berkurang. Hal ini seperti yang diungkapkan  oleh  Sinaga  (1998)  bahwasanya temperatur pemanasan yang terlalu tinggi atau waktu pemanasan  yang  terlalu  lama  akan  mengakibatkan terjadinya  penurunan  kekuatan  atau  kekerasan material. Kekuatan dan kekerasan sangat dipengaruhi oleh morfologi endapan partikel yang terjadi. Dalam proses solution  heat  treatment ini  terjadi  endapan partikel  yang  besar  dan  tersebar  pada  jarak  yang sangat jarang, maka dislokasi sangat mudah bergerak, sehingga  kekuatan  materialnya  akan  menjadi  sangat rendah.

## KESIMPULAN
Beberapa  kesimpulan  yang  dapat  diperoleh  dari penelitian  yang  telah  dilakukan  adalah  sebagai berikut:
1. Ukuran  butir  pada  daerah  SZ,  HAZ,  TMAZ membesar  seiring  dengan  bertambahnya  suhu solution  heat  treatment dan  lama  waktu dwell time .
2. Seiring dengan bertambahnya suhu solution heat treatment dan lama waktu dwell time maka
kekuatan tarik geser dari benda las akan semakin berkurang.  Nilai  pembebanan  uji  tarik  geser tertinggi  terjadi  pada  spesimen  A1  (suhu solution heat treatment 470 o C dan holding time 1 jam) yaitu sebesar 3735,2 N, sedangkan nilai pembebanan uji tarik geser terendah terjadi pada spesimen  C2  (suhu solution  heat  treatment 530 o C  dan holding  time 2  jam)  yaitu  sebesar
3172,6 N.
3. Seiring dengan bertambahnya suhu solution heat treatment dan lama waktu dwell time maka nilai kekerasan  dari  benda  las  akan  semakin berkurang. Nilai kekerasan tertinggi terjadi pada spesimen  A1  (suhu solution  heat  treatment 470 o C dan holding time 1 jam) yaitu sebesar 43,7 HVN,  sedangkan  nilai  kekerasan  terendah terjadi  pada  spesimen  C2  (suhu solution  heat treatment 530 o C  dan holding time 2  jam)  yaitu 30,1 HVN.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  J.  Chi-Sung,  Al.  et,  "Material  properties  of friction  stir  spot  welded  joints  of  dissimilar aluminum  alloys,"  Transactions  of  Nonferrous Metals Society of China, vol. 22, pp. s605-s613, 2012.
[2]  K.  Elangovan,  K.  dan  V.  Balasubramanian, "Influences of tool pin profile and tool shoulder diameter  on  the  formation  of  friction  stir processing  zone  in  AA6061  aluminium  alloy," Materials & design, vol. 29, no. 2, pp. 362-373, 2008.
[3]  I.  Kamenichny,  “Short  Handbook  of  Heat Treatment,” Moscow Peace Publishers, 1969.
[4]  Mokhtar  Awang,  “Simulation  of  Friction  Stir Spot  Welding  (FSSW)  Process:  Study  of
Friction Phenomena,” Department of Mechanical and Aerospace Engineering Morgantown, West Virginia, 2007.
[5]  R. Sinaga, “Meningkatkan sifat mekanik bahan aluminium  paduan  (Al-Mg-Si),”  Prosiding pertemuan  ilmiah  sains  materi  III,  Serpong, 1998.
[6]  C. Shoba, al. et, “Influence of dislocation density on the residual stresses induced while machining Al/SiC/RHA  hybrid  composites,”  J.  of  Mater. Research and Tech., vol. 4, no. 3, pp. 273-277, 2015.
[7]  Y.  Totik,  “The  effect  of  homogenisation treatment on cold deformations of AA 2014 and AA  6063  alloys,”  Mechanical  Engineering Department,  Faculty  of  Engineering,  Atatürk University,  vol.  147,  pp  60-64,  Erzurum,
Turkey, 2003.
[8]  Zhaohua Zhang, “Effect of welding parameters on  microstructure  and  mechanical  propertiesof friction stir spot welded 5052 aluminum alloy,”
Materials  and  Design,  vol.  32,  pp.  4461–4470, 2011.