## KAJIAN KEKERASAN DAN STRUKTUR MIKRO SAMBUNGAN LAS GMAW BAJA KARBON TINGGI DENGAN VARIASI MASUKAN ARUS LISTRIK

## Wijoyo
Fakultas Teknologi Industri, Program Studi Teknik Mesin Universitas Surakarta Email: joyowi@yahoo.co.id
Bayu Kartiko Aji Fakultas Teknologi Industri, Program Studi Teknik Mesin Universitas Surakarta Email: kartikaaji.bayu@yahoo.com

## ABSTRAK
Aplikasi sambungan las  masih  menjadi pilihan  utama pada bidang konstruksi. Hal ini dikarenakan konstruksi menjadi ringan, murah dan cepat dalam proses pengerjaanya. Kekuatan las sangat dipengaruhi oleh komposisi dan sifat logam induk maupun logam pengisi, proses pengelasan, pemanasan serta adanya tegangan  sisa.  Tujuan  penelitian  ini  adalah  menyelidiki  kekerasan  dan  struktur  mikro  sambungan  las GMAW baja karbon tinggi akibat variasi masukan arus listrik. Penelitian menggunakan bahan baja AISI 1065  dan  logam  pengisi  ER70S-6,  dengan  variasi  arus  listrik  80  A,  100  A  dan  120  A.  Kecepatan pengelasan adalah 5 mm/s, kecepatan logam pengisi 4 mm/s dan tegangan DC 22 V. Pengujian kekerasan dengan  menggunakan  mesin  uji  kekerasan rockwell ,  sedangkan  foto  mikro  struktur  menggunakan mikroskop  optic.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  semakin  tinggi  arus  listrik  yang  dipakai  dalam pengelasan  sampai  120  A,  maka  kekerasan  hasil  lasan  semakin  menurun,  sedangkan  struktur  mikro didominasi cementite dengan ukuran yang lebih halus.
Kata kunci : arus, GMAW, kekerasan, sturktur mikro.

## ABSTRACT
Applications welded joints are still the main choice in the field of construction. This is because the construction  becomes  lighter,  cheaper  and  faster  in  the  welding  process.  Weld  strength  is  strongly influenced by the composition and properties of the based metal and filler, welding process, the heating and the presence of residual stress. The purpose of this study was to investigate the hardness and GMAW welding joint microstructure of high carbon steel due to variations in electrical current input. Research using AISI 1065 steel material and filler ER70S-6, with a variation of the electric current of 80 A, 100 A and  120  A.  The  welding  speed  is  5  mm/s,  the  speed  of  filler  metal  4  mm/s  and  a  DC  voltage  of  22  V. Hardness  test  using  rockwell  hardness  testing  machine,  while  the  micro-structure  photograph  using  an optical microscope. The results showed that the higher the electric current used in the welding up to 120 A, the hardness results of welds decreases, while the predominantly cementite microstructure with finer sizes.
Keywords: electric current, GMAW, hardness, micro structures.

## 1. PENDAHULUAN
Sambungan  las  banyak  digunakan  dengan  pertimbangan  bahwa  konstruksi  ringan,  murah  dan pengerjaan  cepat.  Perancangan  las  dan  cara  pengelasan  harus  betul-betul  memperhatikan  kesesuaian antara sifat-sifat las dengan kegunaan konstruksi serta keadaan disekitarnya [1]. Kekuatan sambungan las secara umum dipengaruhi oleh komposisi dan sifat logam yang dilas, komposisi dan sifat logam pengisi (elektroda),  proses  pengelasan,  daerah  pemanasan  langsung,  daerah  yang  terkena  pengaruh  panas  dan adanya tegangan sisa.
Proses pengelasan adalah proses penyambungan dua bagian logam atau lebih dengan menggunakan energi panas. Energi panas pada pengelasan tersebut akan menimbulkan terjadinya siklus termal. Adanya siklus termal tersebut akan mengakibatkan terjadinya tegangan sisa, distorsi serta laju pendinginan pada logam las dan daerah sekitarnya. Struktur mikro logam las sangat dipengaruhi oleh laju pendinginan dan komposisi  kimia  bahan  (logam  induk  dan  elektroda).  Pada  akhirnya  tegangan  sisa  dan  struktur  mikro
logam  las  tersebut  akan  mempengaruhi  sifat  mekanis  dari  logam  lasan,  terutama  terjadinya  penurunan sifat fatik [2].
Heat  input sangat  berpengaruh  terhadap  struktur  mikro  logam  las.  Hal  ini  terjadi  disebabkan  oleh kuat  arus  yang  besar  akan  meningkatkan  masukkan  panas  sehingga  memperlambat  laju  pendinginan. Peningkatan heat  input meningkatkan  jumlah  prosentase  ferit  acicular  dan  ketangguhan  sambungan  las [3]. Preheat mempengaruhi  struktur  mikro  hasil  pengelasan,  yaitu  terbentuk  struktur  mikro  berupa  ferit batas  butir.  Kekuatan  impak  optimum  pada  suhu  transisi  -15 o dan  energinya  sebesar  125  Joule  pada preheat 100 o C  sambungan  las  GTAW  baja  A283C  [4].  Ketangguhan  impak  HAZ  pada  baja  HQ130 menurun dengan masukan panas las dari 9,2 kJ/cm ke 26,4 kJ/cm. Waktu pendinginan (t 8/5 ) antara 10-20 detik  pada  masukan  panas  antara  13,1-18,6  kJ/cm  meningkatkan  ketangguhan  HAZ  hasil  pengelasan GMAW baja HQ130 [5].
Nilai  kekerasan  zona  HAZ  lebih  tinggi  dari  logam  las  dan  logam  dasar,  hal  ini  disebabkan  oleh jumlah fase austenit interdendritik yang tinggi dan tingkat pendinginan yang cepat pada butir daerah HAZ hasil pengelasan plat AISI 904 L stainless steel super austenitic dengan menggunakan las GMAW [6]. Hasil  sambungan  pengelasan  logam  AISI  304  &  316  dengan  las  TIG  &  las  MIG  adalah  sebagai berikut:  nilai  kekerasan  (BHN)  di  arus  listrik  40  ampere  untuk  las  TIG  adalah  162,53 BHN,  sedangkan pada  las  MIG  adalah  196,54  BHN.  Kekuatan  tarik  sambungan  las  TIG  lebih  tinggi  dari  sambungan  las MIG, yaitu berturut-turut adalah: 675,22 MPa dan 652,029 N/mm 2 [7].
Las GMAW merupakan proses pengelasan busur listrik, dengan busur listrik diselimuti oleh gas di atas  daerah  pengelasan.  Kawat  las  pengisi  yang  juga  berfungsi  sebagai  elektroda  diumpankan  secara terus-menerus.  Gas  pelindung  yang  digunakan  adalah  Argon,  Helium  atau  campuran  dari  keduanya. Untuk memantapkan busur kadang-kandang ditambahkan gas O 2 antara 2 - 5% atau CO 2 antara 5 – 20%. Masukan panas adalah besarnya energi panas tiap satuan panjang las ketika sumber panas bergerak. Besarnya masukan panas pada proses pengelasan adalah seperti pada persamaan (1) [8]:
(1)
dengan  :  q  =  masukan  panas  (J/mm),    v  =  kecepatan  pengelasan  (mm/s),  η  =  efisiensi,    E  =  potensial listrik (volt) dan I = arus listrik ( ampere )
Proses  pembekuan  logam  cair  sangat  sensitif  terhadap  kecepatan  pendinginan.  Pada  umumnya waktu  pendinginan  ( cooling  time )  antara  temperatur  800 o C  -  500 o C  dipakai  sebagai  acuan  pada pengelasan baja karbon rendah, karena pada interval suhu tersebut terjadi transformasi fasa dari austenite menjadi ferrite atau bainite yang dipengaruhi oleh  kecepatan pendinginannya. Struktur mikro baja yang terbentuk selama pendinginan antara temperatur 800 o C – 500 o C (Δt 8/5 ) ditentukan oleh laju pedinginan. Waktu pendinginan dapat dihitung dari persamaan (2) berikut [8]:
           0 0 5 8 800 1 500 1 2 T T k v q t 
(2)
dengan :  Δt 8/5 = waktu pendinginan antara temperatur 800 o C - 500 o C (s), k = konduktifitas panas (J/mms - 1 K -1 ) dan T 0 = suhu awal ( o C)
Tujuan penelitian ini adalah menyelidiki kekerasan dan struktur mikro sambungan las  GMAW baja karbon tinggi akibat variasi masukan arus listrik.

## 2. METODOLOGI

## 2.1 Bahan
Bahan  yang  dipakai  pada  penelitian  ini  adalah  baja  AISI  1065  dan  logam  pengisi  yang  digunakan adalah ER70S-6 sedangkan gas yang digunakan adalah gas argon (Ar).

## 2.2 Proses Pengelasan
Pengelasan menggunakan pelat baja AISI 1065 dan filler ER70S-6. Pengelasan  GMAW dilakukan dengan  variasi  arus  80  A,  100  A  dan  120  A,  tegangan  DC  22  V  polarisasi  terbalik  (DCRP),  debit  gas argon  2,5  sampai  5  ltr/menit,  kecepatan  pengelasan  5  mm/s  dan  kecepatan  kawat  4    mm/s.  Tebal  pelat yang digunakan adalah 10 mm, alur las dibuat bentuk V ganda dengan sudut 70 o dan las multirun seperti
v
EI q  
terlihat pada Gambar 1. Dimensi plat adalah 300 mm x 100 mm x 10 mm. Komposisi logam induk dan logam pengisi dapat dilihat pada Tabel 1.
Gambar 1.  Bentuk Alur Las
Tabel 1.  Komposisi kimia logam induk dan logam pengisi dalam % berat
Unsur AISI 1065 ER70S-6 Fe Balance Balance C 0.693 0,06-0,15 Si 0.254 0,8-1,15 Mn 0.264 1,4-1,85 P 0.033 0,025 max S 0.003 0,035 max Cr 0.084 0,15 max Mo 0.153 0,15 max Ni 0.335 0,15 max Al 0.07 - Co 0.082 - Cu 0.188 0,50 max Nb 0.098 - Pb 0.0096 - Sn 0.009 - Ti 0.051 - V 0.052 - W 0.515 -

## 2.3 Pengujian
Pengujian  kekerasan  menggunakan  mesin  uji kekerasan rockwell . Pengamatan  struktur  mikro pada masing-masing  hasil  las  dengan  variasi  arus  listrik  yang  diperoleh  dari  hasil  foto  mikro  dengan menggunakan mikroskop optic.

## 3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Pengujian Kekerasan
Pengujian kekerasan dilakukan pada daerah las, HAZ dan logam induk. Nilai kekerasan pada daerah las  paling  tinggi  disusul  dengan  HAZ  dan  logam  induk.  Data  distribusi  kekerasan  hasil  pengujian  pada Gambar  2  menunjukkan  kecederungan  yang  seragam  pada  tiap  spesimen  yaitu  terjadi  peningkatan  nilai kekerasan pada daerah las dan selanjutnya menurun pada HAZ sampai logam induk.
Fokus  penelitian  ini  adalah  pada  daerah  las  sehingga  pembahasan  mengenai  pengujian  kekerasan juga  difokuskan  pada  daerah  las.  Gambar  3  menunjukkan  perbandingan  kekerasan  sambungan  las  pada
1,5 2 10 70 o
berbagai  arus  listrik.  Pada  las  dengan  variasi  arus  listrik  80  A,  100  A  dan  120  A,  mempunyai  nilai kekerasan rata-rata logam  las  berturut-turut  adalah: 62,67 HRC, 55,27 HRC dan 44,80 HRC. Dari  hasil nilai kekerasan berbagai spesimen pada logam las  tersebut disebabkan pada spesimen las dengan variasi arus listrik 80 A mengalami laju pendinginan yang cepat. Laju pendinginan yang cepat ini menyebabkan struktur mikro las yang terbentuk menjadi lebih kasar ( cementite ) dibanding struktur mikro las pada arus listrik yang lebih tinggi. Struktur mikro yang kasar ini ( cementite ) mempunyai sifat keras, ini ditunjukkan pada  spesimen  dengan  arus  listrik  80  A  yang  mempunyai  nilai  kekerasan  paling  tinggi,  karena  struktur mikronya  paling  kasar  dan  menurun  pada  spesimen  las  pada  arus  listrik  100  A  dengan  struktur  mikro yang  lebih  halus.  Sedangkan  pada  spesimen  las  dengan  arus  listrik  120  A,  kekerasan  lasannya  paling rendah, hal ini disebabkan karena laju pendinginan yang lambat, sehingga material menjadi lunak.
Hasil  ini  sejalan  dengan  [3],  [4]  dan  [5],  bahwa  peningkatan  arus  listrik  akan  meningkatkan heat input pada pengelasan yang berdampak pada memperlambat laju pendinginan dan peningkatan kekuatan sambungan las.

## Gambar 2. Distribusi Kekerasan Rockwell
Gambar 3. Perbandingan Kekerasan Pada Spesimen Logam Las

## 3.2 Pengamatan Struktur Mikro
Pengamatan  struktur  mikro  bertujuan  untuk  melihat  apakah  terjadi  perubahan  struktur  mikro  pada lasan  dengan  variasi  arus  listrik selama  proses  pengelasan.  Pengamatan  struktur  mikro  dilakukan  pada ketiga  spesimen  dan  diambil  pada  tiga  titik  dari raw  material ,  daerah  HAZ,  dan  daerah  las.  Dengan pembesaran  gambar  sampai  200x  dan  hasil  foto  struktur  mikro  dapat  dilihat  pada  Gambar  4,  5  dan  6, dibawah ini:
Hasil foto mikro las menunjukkan adanya perbedaan. Secara keseluruhan struktur dari logam induk ( raw  material )  memiliki  bentuk  struktur  mikro  yang  didominasi pearlite dan  sedikit cementite yang menjadi  ciri  khas  dari  struktur  mikro  dari  baja  karbon  tinggi. Pearlite adalah  gabungan ferrite dan cementite berwarna  gelap  dan  bersifat  mampu  mesin  dan  keras  tetapi  ulet.  Sedangkan cementite mempunyai sifat yang keras.
Saat terjadinya pengelasan yang menyebabkan adanya siklus thermal (pemanasan dan pendinginan cepat),  hal  ini  sangat  berpengaruh  terhadap  daerah  HAZ  maupun  daerah  las.  Pada daerah  HAZ  struktur
mikro menjadi rusak dari logam induknya, yaitu struktur pearlite menjadi hancur menjadi butiran bentuk yang  kasar.  Daerah  yang  paling  terpengaruh  oleh  siklus thermal adalah  daerah  las,  pada  daerah  las terjadinya  pencairan  dan  kemudian  membeku  secara  cepat.  Pada  daerah  las  ini  struktur  mikronya  lebih kecil/halus  dan  lebih  rapat,  dengan  dominasi cementite dan pearlite semakin  berkurang.  Dari  ketiga spesimen dengan arus listrik 80 A, 100 A dan 120 A, ukuran cementite -nya yang paling besar adalah pada arus  listrik  80  A,  diikuti  berturut-turut  oleh  arus  listrik  100  A  dan  120  A.  Bentuk  ukuran  struktur  yang berbeda ini yang mengakibatkan kekuatan lasnya juga berbeda, yaitu seperti yang ditunjukkan pada  hasil pengujian kekerasannya, spesimen las dengan arus listrik 80 A mempunyai kekerasan yang tertinggi.
Gambar 4.  Struktur Mikro Pada Arus Pengelasan 80 A: a) Logam Induk, b) HAZ, c) Logam Las
Gambar 5.  Struktur Mikro Pada Arus Pengelasan 100 A: a) Logam Induk, b) HAZ, c) Logam Las
Gambar 6.  Struktur Mikro Pada Arus Pengelasan 120 A: a) Logam Induk, b) HAZ, c) Logam Las
4. KESIMPULAN
1) Peningkatan arus listrik pada pengelasan dapat menurunkan kekerasan hasil las.
2) Semakin tinggi arus listrik yang digunakan dalam pengelasan baja karbon tinggi sampai 120 A akan menurunkan jumlah dan ukuran cementite , yang memiliki sifat keras.
3) Sifaf-sifat  mekanis  yang  lain  hasil  pengelasan  pada  variasi  pemakaian  arus  listrik  sangat mungkin dipengaruhi oleh struktur mikro dan sifat keras dari hasil lasan tersebut.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Wiryosumarto,  H.  dan  Okumura,  T.  1996. Teknologi  Pengelasan  Logam .  Jakarta:  PT.  Pradya Paramita.
[2] Radaj,  D.  1992. Heat  effects  of  Welding  :  Temperature  Field,  Residual  Stress,  Distortion .  Berlin: Springer-Verlag.
[3] Subekti,  N.  2005.  ”Pengaruh  Heat  Input  Terhadap  Ketangguhan  dan  Struktur  Mikro  Pada Pengelasan Busur Terendam Pipa Spiral”. Simetris 4. 10-18.
a) b) c)
a) a) b) b) c) c)
[4] Sembiring, A.S.F. et al. 2005. “Pengaruh Preheat Terhadap Struktur Mikro dan Ketangguhan Impak Sambungan Las GTAW Pada Pengelasan Baja A283C”. Simetri 4. 1-9.
[5] Juang, W.,  et al. 2003. “Effect of Weld Heat Input on Toughness and Structure of HAZ of a New Super-high Strength Steel”. Indian Academy of Sciences 26. 3, 301-305.
[6] Sathiya  P.,  et  al.  2010.  “Microstructural  characteristics  on  bead  on  plate  welding  of  AISI  904  L super  austenitic  stainless  steel  using  Gas  metal  arc  welding  process”. International  Journal  of Engineering, Science and Technology 2. 6, 189-199.
[7] Kumar L.  S., et al. 2011.  “Experimental Investigation  for  Welding  Aspects of  AISI 304 & 316 by Taguchi Technique for the Process of TIG & MIG Welding”. International Journal of Engineering Trends and Technology 2. Issue2, 28-33.
[8] Kou, S. 1987. Welding Metallurgy . New York: John Willey, Sons, Inc.