Pengelasan Submerged Arc Welding SAW: Pengertian Jenis Fungsi Fluks Komposisi Kawat LAS

Pengertian Pengelasan Submerged Arc Welding atau busur listrik terrendam SAW adalah proses penyambungan logam yang menggunakan elektroda dan fluks yang terumpan secara terpisah dengan sumber energi panasnya dihasilkan dari busur listrik yang terbentuk di antara elektroda dengan benda kerja akibat adanya aliran arus listrik.

Pengelasan SAW ini menggunakan fluks yang bentuknya serbuk yang berfungsi melindungi logam las cair agar tidak terkontaminasi dari atmosfer sekitarnya. Serbuk fluks merendam busur listrik dan logam cair.

Logam pengisi yang digunakan dalam pengelasan Submerged Arc Welding SAW adalah elektroda terbuka atau tanpa dilapisi oleh lapisan fluks.

Elektroda atau filler metal dan fluks diumpan secara mekanis terus menerus ke dalam busur lsitrik.  Skema pengelasan SAW dapat dilihat pada gambar berikut:

Mekanisme Pengelasan Submerged Arc Welding SAW

Pengelasan dilakukan secara otomatis yang berjalan di atas rel sepanjang garis las.  Flux yang diperlukan di umpan melalui pipa penyalur dari penampung flux yang juga terletak diatas rel.

Umumnya mesin las menyediakan satu elektroda saja, namun untuk memperbaiki efisiensi pengelasan terkadang satu mesin menyediakan fasilitas untuk dua atau tiga elektroda.

Energi panas yang dihasilkan dari busur listrik akan mencairkan elekroda pengisi dan logam benda kerja disertai dengan mencairnya sebagian serbuk fluks.

Lelehan Logam induk dan logam dari kawat elektroda bercampur membentuk lelehan logam las. Sedangkan lelehan fluks terapung di atas lelehan logam las untuk melindungi logam cair dari pengaruh atmosfer sekitarnya.

Lelehan logam las membeku membentuk padatan logam las diikuti oleh membekunya lelehan fluks menjadi slag padat. Slag membeku di atas logam las yang panas untuk melindungi permukaan logam las dari oksidasi dengan udara bebas.

Skematik Operasi Proses Pengelasan Submerged Arc Welding SAW

Secara skematika operasi proses pengelasan dan contoh mesin las SAW dapat dilihat pada gambar berikut:

Peralatan utama pada mesin las SAW adalah power source, system control penggerak kawat las, gulungan kawat las, hopper fluks dan handle kawat las,

Power Source merupakan sumber arus listrik yang digunakan untuk energi pengelasan dan peralatan tambahan lainnya.

System control penggerak kawat las berfungsi untuk mengatur kecepatan pengumpanan kawat las. 

Hopper fluks dan system umpan berfungsi sebagai tempat serbuk fluks yang akan mengalir secara kontinu dengan kecepatan yang dapat diatur.

Rumus Heat Input Pengelasan  Submerged   Arc Welding SAW

Hubungan antara variabel tegangan E, arus listrik A dan kecepatan v pada proses pengelasan untuk menghasilkan energi las sering disebut sebagai heat input atau masukan panas yang dapat dinyatakan dengan menggunakan rumus persamaan berikut

\mathrm{HI = \frac{V.I x 60}{v} x fi}

Dengan keterangan:

HI = Heat Input (joule/mm)

fi = Weld Heat Efficiency (untuk SAW = 0,9)

V = Arc Voltage (volt)

I = Welding Current (ampere)

v = Welding speed (mm/min)

Contoh Perhitungan Heat Input Pengelasan Submerged Arc Welding SAW

Pada proses penyambungan plat baja karbon menggunakan metoda SAW dengan tegangan 40 volt dan arus 115 amper. Hitung heat input jika pengelasan berjalan 400 mm per menit dan efisiensinya 90%

Jawab.

Diketahui

Tegangan V = 40 volt

Arus I = 115 amper

kecepatan las v = 400mm/menit

efisiensi fi = 90%

Menghitung Heat Input HI Pengelasan Submerged Arc Welding SAW

Besarnya panas masukan pengelasan SAW dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut

\mathrm{HI = \frac{V.I x 60}{v} x fi}

HI = 90% x (40×115)/400

HI = 621 joule/mm

Pengaruh Besar Arus Listrik Pada Pengelasan Submerged Arc Welding SAW.

Dari persamaan heat input dapat diketahui bahwa kuat arus berkorelasi positif dengan heat inpur. Semakin tinggi arus yang diterapkan, Maka semakin besar heat input yang dihasilkan. Artinya, arus semakin besar, maka panas yang ditimbulkan semakin tinggi,

Basar arus yang diterapkan sangat tergantung pada besar diameter kawat elektroda yang digunakan seperti ditunjukkan pada table berikut:

Semakin besar diameter kawat las, semakin besar arus listrik yang dibutuhkan. Ini artinya, semakin besar diameter, semakin besar energi panas yang dibutuhkan agar kawat las mampu mencair dan menetes atau terdeposit menjadi logam las cair.

Pengaruh Besar Arus  Listrik Terhadap Laju Deposit Kawat Las SAW.

Laju Deposit atau Deposition Rate adalah berat logam las yang dapat dihasilkan dari kawat las yang mengendapa dalam satuan waktu (Jam).

Pengaruh besar arus listrik yang diterapkan pada proses pengelasan dapat dilihat pada gambar grafik berikut:

Dari gambar dapat dilihat bahwa, semakin besar arus listrik yang dipakai, maka semakin besar laju deposit dari logam kawat electrode yang terbentuk.

Penggunaan arus juga tergantung pada jenis elektroda dan benda kerja yang akan dilas. Kurva a menunjukkan pengaruh arus terhadap laju deposit pada kawat las berdiameter 3,18 mm untuk baja karbon rendah, sedangkan kurva b untuk kawat las berdiameter 3,18 mm untuk baja tahan karat.

Pengaruh Arus Listrik Pada Kedalaman Penetrasi Logam Las

Besarnya arus listrik berpengaruh pada dalamnya penetrasi logam las, seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar di atas menunjukkan pengaruh arus pada pengelasan paduan alumunium grade Al 5083 alloy dengan kawat las jenis Al 5183 berdiameter 2,4 mm.

Kecepatan pengelasannya adalah 0,25 meter per menit. Tampak jelas bahwa semakin besar arus listrik yang diterapkan, semakin dalam dan lebar penetrasi yang dihasilkan.

Gambar di bawah menunjukkan skematik pengaruh arus listrik pengelasan SAW terhadap bentuk baik lebar dan dalamnya penetrasi ogam las.

Pengaruh Tegangan Volt  Pada Pengelasan Submerged Arc Welding SAW.

Pengaruh tegangan voltase terhadap kedalaman penetrasi logam las dapat dilihat pada gambar grafik berikut:

Dari gambar dapat dikeketahui, bahwa logam las cair yang dihasilkan dari tegangan tinggi dapat menyebabkan penetrasi yang lebih dalam.

Secara skematik, contoh pengaruh tegangan terhadap bentuk, lebar dan kedalaman penetrasi hasil pengelasan dapat dilihat pada gambar berikut:

Siklus Termal Daerah Las Pada Submerged Arc Welding SAW.

Selama proses pengelasan, logam yang dilas dan benda kerja pada zona yang terkena pengaruh panas (HAZ) akan mengalami serangkaian siklus termal.

Siklus termal yang dialami akan mempengaruhi struktur mikro logam las dan Heat Affected Zone HAZ. Logam las dan HAZ akan mengalami serangkaian transformasi fase selama proses pendinginan disertai dengan perubahan sifat sifatnya.

Siklus Termal Pada Daerah Las Baja Karbon Mulai dari Logam Las WM sampai logam induk base metal BM ditunjukkan pada gambar berikut:

Logam las, weld metal WM adalah bagian dari logam yang pada waktu pengelasan mencair di atas temperatur 1500 Celcius dan kemudian membeku ketika temparatur turun di bawah temperature fusion line.

Logam las cair akan bertransformasi menjadi solid solution ferit-d kemudian menjadi austenit-g dan akhirnya menjadi ferit-a atau bainit tergantung pada kecepatan pendinginannya.

Batas antara logam las dan benda kerja digambarkan oleh garis kuning yang menunjukkan terjadinya fusi antara logam cair dan logam induk yang padat dan disebut sebagai fusion line FL.

Daerah HAZ adalah logam induk yaitu benda kerja yang besebelahan dengan logam las cair yang selama proses pengelasan mengalami siklus termal pemanasan dan pendinginan dengan kecepatan tertentu.

Pada daerah HAZ terdapat empat zona yang berbeda, yaitu zona coarse grain, refined grain, two phase dan zona temper.

Secara visual daerah yang dekat dengan garis lebur las (fusion line) FL memiliki susunan struktur yang relatif kasar.

Pada zona coarse grain, panas benda kerja mencapai temperature di atas 1100 Celcius, sehingga fasa benda kerja bertransformasi ke austenite. Panas yang timbul menjadi energi pendorong pertumbuhan butir menjadi lebih kasar dari butiran awalnya.

Pada zona refined grain, panas mencapai temperature di atas 900 Celcius. Energi panas ini menyebabkan terjadinya rekristalisasi butiran namun tidak menyebabkan pertumbuhan, sehingga butiran menjadi lebih halus.

Pada zona dua fase, panas mencapai temperature di atas 700 Celcius. Energi panas hanya menyebabkan terjadinya transfomasi fasa sebagian. Di atas temperature 700 Celcius, sebagian struktur bertrnsfomasi ke austenite.

Pada temperature di bawah 700 Celcius terjadi proses temper. Pasa zona ini tidak terjadi perubahan fasa. Struktur pada zona masih sama dengan struktur benda kerja awal.

Logam induk atau base metal adalah logam benda kerja yang tidak mengalami perubahan – perubahan struktur dan sifat yang diakibatkan oleh panas da temperatur pengelasan.

Struktur Mikro Hasil Pengelasan Submerged Arc Welding SAW.

Struktur Mikro yang terbentuk sepanjang logam las, HAZ sampai dengan logam induk yang tidak terpegaruh panas ditunjukkan pada gambar berikut:

Struktur mikro logam las terdiri dari kombinasi dua atau lebih fase atau struktur seperti Batas butir ferit GBF, Ferit Widmanstätten WF atau ferrite with aligned second phase, Ferrite acicular AF, Bainit, dan Martensit.

Batas Las atau Fusion Line (LF) atau daerah fusi, merupakan garis batas antara logam yang mencair dan daerah HAZ.

Daerah pengaruh panas atau heat affected zone (HAZ) adalah logam dasar yang bersebelahan dengan logam las yang selama proses pengelasan mengalami siklus termal pemanasan dan pendinginan. Struktur terdiri coarse grain, refined grain dan tempered struktur.

Logam induk atau base metal, adalah bagian logam benda kerja yang tidak dipengaruhi oleh temperatur pengelasan, sehingga tidak mempengaruhi struktur maupun sifat benda kerjanya.

Kawat Las Elektroda Pengelasan Submerged Arc Welding SAW

Elektroda atau Kawat untuk las busur terendam SAW terdiri dari tiga tipe : solid, inti fluks dan pita (strip). Yang paling umum adalah kawat elektroda solid dilapisi dengan tembaga tipis. Lapi tipis tembaga berfungsi untuk mencegah karat dan untuk merubah kontak listrik pada bagian yang terhubung.

JIS mengklasifikasikan elektroda las busur terendam untuk baja lunak dan baja paduan rendah (seperti baja kuat Tarik tinggi, baja tahan panas, baja temperatur rendah, dan baja tahan korosi udara).

Contoh Kawat Las Elektroda Submerged Arc Welding SAW

Tabel berikut menunjukkan kawat elektroda las busur terendam untuk baja karbon dan baja campuran rendah menurut standar JIS 3351.

Arti Simbol Kawat Las Elektroda Submerged Arc Welding SAW

Y = kawat las

S = las busur

S1 = komposisi kimia Si-Mn

Tolenransi Diameter Kawat Las Submerged Arc Welding Elektroda SAW

Tolenransi dimensi kawat elektroda untuk pengelasan SAW dapat dilihat pada table berikut:

Fungsi Fluks Pada Pengelasan Submerged Arc Welding SAW

Beberapa fungsi penggunaan fluks pada proses pengelasan adalah sebagai berikut:

a). Fluks berfungsi untuk memfasilitasi penyalaan busur dan meningkatkan intensitas dan stabilitas busur.

b). Fluks sebagai penghasil gas yang berfungsi melindungi busur. Panas dari busur akan membakar, melelehkan dan mengurai fluks sehingga menimbulkan gas (CO₂, CO, H, dan sebagainya) yang mengelilingi busur. Hal ini akan menjaga lelehan logam dari teroksidasi atau nitrasi dengan atmosfer sekitar.

c). Slag atau terak melindungi logam las dan membantu pembentukan rigi. Selama pengelasan, fluks mencair menjadi terak yang melindungi cairan dan rigi las dengan cara menutupinya. Adanya variasi kekentalan (viskositas) yang dimiliki terak, memungkinkan untuk melakukan pengelasan pada berbagai posisi dan memperbaiki bentuk dari rigi las.

d). Fluks dapat mengurangi kandungan oksigen terlarut logam las cair. Bila pengelasan dilaksanakan pada udara terbuka, logam las tidak bisa terhindar dari oksidasi.

Unsur deoksidator seperti Mn dan Si dalam fluks, dapat menghindari terbentuknya poros, sehingga dapat meningkatkan kekuatan dan ketangguhan dari logam las.

e). Fluks mengandung sejumlah elemen paduan  yang akan meningkatkan ketahanan terhadap korosi, panas dan abrasi.

f). Fluks memberikan isolasi listrik yang baik. sehingga mampu mencegah kerusakan las dan kecelakaan terhadap operator las.

Contoh Jenis Fluks Pengelasan Submerged Arc Welding SAW

Tabel berikut menunjukkan jenis fluks las busur terendam untuk baja karbon dan baja paduan rendah sesuai standar JIS Z 3352

Arti Simbol Klasifikasi Fluks Pengelasan Submerged Arc Welding SAW

Sebagai contoh elektroda FS-FG1

F = fluks las

S = las busur

F = Jenis fluks melebur

G1 = komposisi SiO₂ > 50%, senyawa lain tidak disebutkan,

 Contoh Cacat Pada Produk Pengelasan

Beberapa contoh cacat yang umum terjadi pada logam hasil pengelasan di antaranya adalah cacat undercut, crack, porosity, slag inclusion, lake of penetration dan lake of fusion. Contoh bentuk cacat lasan dapat dilihat pada gambar berikut.

 Kelebihan Pengelasan Metoda Submerged Arc Welding SAW

Las SAW mempunyai efisiensi antara 85% sampai dengan 99%. Hal ini disebabkan oleh panas yang hilang sangat rendah karena panas dari busur ditutupi oleh fluks.

Sambungan dapat dipersiapkan dengan kampuh alur V yang dangkal, sehingga lebih hemat elektroda, tidak terlalu banyak memerlukan logam pengisi, bahkan terkadang tidak memerlukan alur.

Karena proses terjadi di bawah rendaman flux, maka tidak ada percikan logam (spatter) dan sinar busur yang keluar.

Kecepatan pengelasan tinggi, sehingga baik untuk pengelasan pelat datar, silinder maupun pipa, bahkan baik sekali untuk pelapisan permukaan (surfacing).

Mampu menghasilkan las dengan hidrogen rendah .

Kekurangan Pengelasan Metoda Submerged Arc Welding SAW

Operasi sedikit rumit, karena selain diperlukan flux dan penahan flux, juga diperlukan “fixtures” lainnya.

Flux dapat mengkontaminasi logam cair, sehingga menyebabkan terjadinya keidataksempurnaan pengelasan dalam bentuk inklusi atau poros.

Untuk dapat menghasilkan lasan yang baik, logam induk harus homogen dan bebas dari scale maupun kotoran lain seperti minyak dan debu,

Untuk pengelasan berlapis banyak, yang memerlukan pembersihan terak yang baik, sering mengalami kesulitan.

Bahan induk dengan ketebalan kurang dari 5 mm sulit dilas dengan proses ini, meskipun menggunakan backing.

“Seandainya materi ini memberikan manfaat, dan anda ingin memberi dukungan Donasi pada ardra.biz, silakan kunjungi SociaBuzz Tribe milik ardra.biz di tautan berikut”… https://sociabuzz.com/ardra.biz/tribe

Daftar Pustaka

1. Wiryosumarto. H., Okumura. T., 1979, “Teknologi Pengelasan Logam”, Pradnya Paramita, Jakarta.
2. ASM Handbook, 1992, “ Metallography And Microstructures”, Volume 9, American Society For Metal,
3.