Gambar 1. Distribusi temperatur
disekitar logam las
(Sumber : Andrew D. Althouse, 1992)
Pada saat logam las masih cair
maka pada daerah HAZ akan terjadi distribusi temperatur yang
relatif tinggi (daerah yang berdekatan dengan logam las) dan berangsur-angsur
menurun di daerah-daerah yang menjauhi
logam las. Dengan adanya distribusi temperatur seperti itu maka daerah HAZ akan
terjadi transformasi fasa yang bervariasi pula disesuaikan dengan tinggi
temperatur yang dialami.
Pada saat logam las masih
cair; maka di HAZ akan terbentuk fasa-fasa γ (austenit) dan γ+α (austenit dan ferit); sedangkan pada bagian logam induk yang mengalami
pemanasan sepanjang temperatur pemanasannya tidak melebihi 700oC
tidak akan terjadi perubahan struktur mikro kecuali jika bagian logam induk
tersebut pernah mengalami pengerjaan dingin (cold work) maka tergantung pada besarnya temperatur yang dialami
oleh bagian tersebut dan lamanya diekspos pada temperatur yang bersangkutan,
maka pada bagian tersebut akan mengalami stress
relieving atau rekristalisasi yang akan berdampak pada tingkat tegangan
sisa dan bentuk butir. Bila diukur kekerasannya di daerah ini, maka daerah ini
akan menjadi bagian yang lunak.
Pada saat logam las membeku
(mengikuti pola pembekuan), maka di HAZ tergantung pada laju pendinginan yang
dialaminya; maka fasa yang berubah adalah fasa austenit (γ) Jika
laju pendinginannya tinggi maka austenit
tersebut akan bertransformasi ke martensit,
tetapi apabila laju pendinginannya tidak terlalu tinggi, maka austenit akan
bertransformasi ke Bainit atau Trostit. Namun apabila laju
pendinginannya sangat lambat, maka austenit akan bertransformasi ke perlit.
Dengan demikian pada HAZ struktur yang terjadi setelah semua proses
transformasi fasa selesai adalah campuran dari fasa-fasa tersebut diatas
tergantung laju pendinginan yang dialami
oleh HAZ tersebut.
Disamping itu ukuran
butirnya pun bervariasi dari relatif besar didaerah interface antara logam las dengan logam induk dan berangsur-angsur
mengecil ke ukuran yang sama seperti di logam induk. Besarnya ukuran butir
sangat dipengaruhi oleh tingginya temperatur yang bersangkutan.
Semua kejadian di atas (pengaruh laju pendinginan terhadap hasil akhir transformasi austenit) dapat dianalisis melalui diagram CCT (Continuous Cooling Transformation) sebagaimana ditunjukkan gambar 2. Jadi apabila martensit itu harus dihindari maka harus diupayakan agar laju pendinginannya tidak terlalu tinggi dan ini dapat dilakukan dengan memberi Pre-Heat atau PWHT. Kekuatan baja terutama batas luluhnya, sangat dipengaruhi oleh ukuran butir (Persamaan Hall-Petch). Selain itu, ukuran butir juga mempengaruhi harga impak dan perambatan retak. Makin halus butir akan semakin rendah temperatur transisi ulet-getasnya.
Gambar 2. CCT diagram untuk baja carbon
(Sumber : George E.Totten, 2006)
Pemanasan dan pendinginan yang
terjadi pada proses pengelasan dapat mengubah sifat bahan induk yang terkena
pengaruh panas tersebut, sehingga menimbulkan zona terpengaruh panas (Heat Affected Zone = HAZ). Perubahan-perubahan yang sering terjadi
adalah perubahan struktur mikro material, terjadinya distorsi dan munculnya
tegangan sisa di dalam material.
Untuk menghindari atau
memperkecil akibat tersebut maka perlu adanya perlakuan panas tertentu dalam
pelaksanaan pengelasan, yaitu :
-
Pemanasan awal (preheating)
Adalah pemanasan pendahuluan yang dilakukan pada daerah yang akan dilas
sebelum pengelasan dimulai sampai temperatur tertentu dengan tujuan agar tidak
terjadi laju pendinginan yang sangat cepat sesudah pengelasan. Laju pendinginan
yang terlalu cepat memungkinkan terbentuknya struktur martensitis yang terlalu
banyak, yang mengakibatkan logam menjadi terlalu keras dan getas. Dengan pemanasan awal ini juga dapat
dikurangi terjadinya distorsi maupun tegangan sisa. Pertimbangan penentuan
pemanasan awal ini selain kandungan karbon juga unsur-unsur paduan Cr, Mn, Si,
dan Mo. Ketebalan las yang akan dibuat juga merupakan pertimbangan untuk
diadakannya pemanasan awal.
- Temperatur antar lapis (inter pass temperature)
Inter pass temperature adalah
temperatur lasan pada waktu akan dilaksanakan pengelasan berikutnya. Temperatur
ini tidak diperkenankan di bawah temperatur pemanasan awal dan juga tidak
diperkenankan terlalu tinggi. Temperatur interpass
yang terlalu tinggi mengakibatkan zona terpengaruh panas (HAZ) yang terlalu luas yang tidak diinginkan
dalam pelaksanaan pengelasan.
- Perlakuan panas pasca las (postweld heat treatment = PWHT)
PWHT ialah perlakuan panas terhadap hasil pengelasan pada saat pengelasan selesai. Pada pengelasan baja karbon, laju pendinginan pasca pengelasan harus lambat, yang selain dengan pemanasan awal, sering proses perlambatan ini dikerjakan dengan menutup benda kerja dengan asbes atau bahan yang sejenis. Namun untuk pengelasan baja austenic, yang mengandung banyak khrom (Cr) dan karbon ( C ) yang memungkinkan terbentuknya chrom carbida yang merupakan endapan pada batas butir yang tidak dikehendaki keberadaannya. Laju pendinginan pasca pengelasan logam ini justru diusahakan lebih cepat pada temperatur sensitisasi (426 ~ 871 oC). bahaya dari terbentuknya endapan karboda ini adalah kerawanan korosi, yang merupakan korosi batas butir (inter granular corrosion). Jika diperlukan untuk perlakuan panas pasca pengelasan ini hasil lasan dipanaskan kembali sampai temperatur tertentu, kemudian didinginkan sesuai dengan laju yang dikehendaki. Skematik proses perlakuakn panas pada proses pengelasan ditunjukkan gambar 3.
Keterangan
gambar :
“A”
Laju pemanasan dari preheat temperature sampai 7200C – 7300C
tidak boleh lebih dari 200oC / jam maximum.
“B”
holding time pada 7200C – 7300C minimum 3 jam.
“C” Laju pendinginan dari 7200C – 7300C
Gambar 3. Grafik perlakuan panas disekitar logam las
(sumber : B4T Bandung 2001)
Pembekuan dan struktur logam las
Dalam pengelasan cair bermacam-macam cacat terbentuk dalam logam las, misalnya pemisahan atau segregasi, lubang halus dan retak. Banyaknya dan macamnya cacat yang terjadi tergantung pada kecepatan pembekuan. Semua kejadian selama proses pendinginan dalam pengelasan hampir sama dengan pendinginan dalam pengecoran. Perbedaannya adalah :
1. Kecepatan pendinginan dalam las lebih
tinggi
2. Sumber panas dalam las bergerak terus
3. Dalam proses pengelasan, pencairan dan
pembekuan terjadi secara terus menerus
4. Pembekuan logam las mulai dari dinding
logam induk yang dapat dipersamakan dengan dinding cetakan pada pengecoran, hanya saja dalam pengelasan,
logam las harus menjadi satu dengan logam induk, sedangkan dalam pengecoran
yang terjadi harus sebaliknya.
Reaksi
metalurgi yang terjadi dalam pembekuan
1. Pemisahan
Di dalam logam las terdapat
tiga jenis pemisahan, yaitu pemisahan makro, pemisahan gelombang dan pemisahan
mikro. Pemisahan makro adalah perubahan komponen secara perlahan-lahan yang terjadi
mulai dari sekitar garis lebur menuju ke garis sumbu las, sedangkan pemisahan
gelombang adalah perubahan komponen karena pembekuan yang terputus yang terjadi
pada proses terbentuknya gelombang manik las. Pemisahan mikro adalah perubahan
komponen yang terjadi dalam satu pilar atau dalam bagian dari satu pilar.
2. Lubang halus
Lubang-lubang halus terjadi
karena adanya gas yang tidak larut dalam logam padat. Lubang-lubang tersebut
disebabkan karena tiga macam cara pembentukan gas, yaitu yang pertama adalah
pelepasan gas karena perbedaan batas kelarutan antara logam cair dan logam
padat pada suhu pembekuan, yang kedua adalah terbentuknya gas karena adanya
reaksi kimia di dalam logam las dan yang ketiga penyusupan gas ke dalam
atmosfer busur.
Gas-gas yang terbentuk karena
perbedaan batas kelarutan dalam baja adalah gas hidrogen dan gas nitrogen,
sedangkan yang terjadi karena reaksi adalh terbentuknya gas CO2
dalam logam cair dan yang menyusup adalah gas-gas pelindung atau udara yang
terkurung dalam akar kampuh las.
3. Proses deoksidasi
Sebenranya hanya sejumlah
kecil oksigen yang larut dalma baja, tetapi karena tekanan disosiasi dari
kebanyakan oksida sangat rendah, maka pada umumnya akan terbentuk oksida-oksida
yng stabil. Karena pengukuran yang tepat untuk mengetahui jumlah oksigen yang
larut dalam baja sangat sukar, maka untuk melepaskan oksigen dari larutan,
biasanya dilakukan usaha-usaha seperti menghilangkan oksida. Proses
menghilangkan oksida ini disebut proses deoksidasi.
Kadar oksigen dalam baja
tergantung pada kadar Si, Mn dan lain-lainnya. Kadar oksigen dalam logam las
sangat tergantung dari fluks yang digunakan, misalnya pada pengelasan busur dengan fluks oksida besi, kadar oksigen akan
mencapai antara 0,08 sampai 0,12%, dan antara 0,01 sampai 0,02%.