TUGAS 5 METALURGI LAS
Agy Randhiko NPM : 1706990306
Program Magister Teknik Departemen Departemen Teknik Metalurgi Dan Material UNIVERSITAS INDONESIA 2018
Agy Randhiko - 1706990306
1.
From the Al – Mg phase diagram, the equilibrium freezing range of 5052 aluminum (essentially Al – 2.5Mg) is about 40°C. Suppose the welding speed is 4 mm/sand the diffusion coefficient DL is 3 x 10 -5 cm2/s. Calculate the minimum temperature gradient required for planar solidification at the weld centerline. What is the corresponding cooling rate? Can this level of cooling rate be achieved in arc welding?
Diketahui :
Aluminium 5052 (essentially Al-2.5Mg)
Equilibrium freezing range ( ∆T )
: 40oC
Welding speed (v)
: 4 mm/s = 0.4 cm/s
Koefisien difusi ( D L)
: 3 x 10-5 cm2/s
Ditanya : Hitung temperatur gradient minimum agar terjadi planar solidification (G) ? Cooling rate ( Ɛ ) ?
Solusi : Agar terjadi planar solidification, maka persamaan yang digunakan adalah
sebagai berikut :
≥ ∆ ≥ / /
G ≥ 400oC/cm
Untuk mendapatkan cooling rate, didapatkan dengan persamaan sbb : ε = G x V
= 400oC/cm x 0,4 cm/s ε
= 160oC/s
Agy Randhiko - 1706990306
2.
Let CE and CSM be respectively 35%and 15% Mg, and both the solidus and liquidus lines are essentially straight in the Al – Mg system. The melting point of pure Al is 660°C, and the eutectic temperature is 451°C. What is the approximate volume fraction of the aluminum-rich dendrites in the fusion zone of autogenous 5052 aluminum weld?
Diketahui :
Gambar 1. Al-Mg Phase Diagram (diambil dari : www.doitpoms.ac.uk )
Ditanya : Fraksi volume dari aluminium-rich dendrites pada zona fusi aluminium 5052 ?
Solusi : Untuk
mencari
fraksi
volume
dari
aluminium-rich
dendrites
dapat
menggunakan persamaan sbb :
=1 /− − =1 = − −−= 660451 )= 0.0.1355 (660 2310.35 =31.35 0,35 =199,65 =570,43
... (1) ... (2) ... (3)
Dari persamaan 3, dpat dicari nilai T L, yaitu :
Agy Randhiko - 1706990306
Nilai T L tersebut lalu dimasukkan ke dlaam persamaan 2, sehingga :
=−−/− =−−,/− =−, /− =0,428
Nilai k pada persamaan di atas bernilai 0, karena garis solidus dan liquidus
berada pada garis lurus. Setelah itu nilai f L dimasukkan ke dalam persamaan 1, sehigga nilai f s adalah :
3.
=10,43=0,572
It has been observed that aluminum alloys welded with the electron beam welding process show much finer secondary dendrite arm spacing in the weld metal than those welded with GMAW. Explain why.
Jarak lengan dendrit sebagai fungsi dari laju pendinginan atau waktu pembekuan. Berdasarkan rumus berikut,
=. =−
, dimana d adalah jarak lengan
dendrit sekunder, t f adalah waktu pembekuan lokal, ε adalah laju pendinginan, a dan b adalah konstanta proporsional. Semakin lambat laju pendinginan selama pembekuan, semakin lama waktu yang tersedia untuk terjadi pengasaran dan semakin besar jarak lengan dendrit.
Proses Electron beam welding (EBW) menunjukkan jarak lengan dendrit sekunder yang jauh lebih halus dalam logam las daripada dilas menggunakan GMAW, karena EBW memiliki kerapatan daya yang jauh lebih tinggi daripada di GMAW. Karena kerapatan daya sumber panas yang lebih tinggi, masukkan panas ke benda kerja yang diperlukan untuk pengelasan akan lebih rendah. Perbandingan kebutuhan heat input dari kedua jenis pengelasan ini dapat dilihat pada Gambar 2. Semakin kecil heat input yang diberikan pada suatu proses pengelasan, maka akan semakin tinggi laju pendinginannya. Dengan semakin tinggi nya laju pendinginan maka S-DAS yang terbentuk lebih halus, karena waktu yang dibutuhkanuntuk berdifusi terjadi lebih s ingkat.
Agy Randhiko - 1706990306
Gambar 2. Variasi hubungan antara heat input dengan power density
4.
Which alloy has a greater tendency for planar solidification to break down, Al0.01Cu or Al-6.3Cu and why?
Paduan yang memiliki kecenderungan lebih besar
untuk “memecah” planar
solidification dapat diketahui dengan mengacu pada diagram fasa, dalam hal ini adalah diagram fasa Al-Cu. Dari diagram terlihat bahwa jika membandingkan Al-0.01Cu dengan Al-6.3Cu, nilai ΔT (selisih antara temperatur liquidus dengan solidus) lebih besar pada Al-6.3Cu. Oleh karena itu, Al-6.3Cu memiliki kecenderungan untuk “memecah” planar solidification yang lebih besar, karena dapat dilihat pada rumus yang digunakan pada nomor 1,
≥ ∆, semakin besar nilai
ΔT maka
akan semakin sulit
dalam terbentuknya planar solidification.
Gambar 3. Al-Cu Phase Diagram
Agy Randhiko - 1706990306
Selain itu kecenderungan Al-6.3Cu lebih besar untuk “memecah” planar solidification karena memiliki konsetrasi zat terlarut yang lebih besar. Penambahan zat terlarut mengurangi kekuatan daya dorong untuk membeku pada undercooling . Penambahan zat terlarut ke Al paduan tidak hanya memiliki tingkat nukleasi awal yang dihasilkan lebih tinggi dari daya pendorong proses thermodinamika, tetrapi juga meningkatkan nukleasi dalam zona yang didinginkan secara konstitusional selama pertumbuhan.
5.
How would preheating of the work-piece affect the secondary dendrite arm spacing in welds of aluminum alloys and why?
Preheating untuk mengelas logam dilakukan tujuannya adalah :
Memperlambat laju pendinginan benda kerja, karena perbedaan temperatur antara benda kerja dan weld bead lebih rendah dibandingkan bilda tidak dilakukan preheating .
Mengurangi tegangan shrinkage, weld distortion, promote fusion
Menghilangkan air dan kelembaban
Semakin lambat laju pendinginan selama pembekuan, semakin lama waktu yang tersedia untuk pengasaran dan semakin besar jarak lengan dendrit. Sebagai contoh, efek laju pendinginan atau waktu pembekuan pada jarak lengan dendrit untuk Al-4.5Cu dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Pengaruh laju pendinginan atau waktu pembekuan pada jarak lengan dendrit untuk Al-4.5Cu ( Kou, S, 2002)
Hubungan antara laju pendinginan dengan preheating juga dinyatakan dalam persamaan berikut :
Agy Randhiko - 1706990306
Terlihat bahwa laju pendinginan yang disimbolkan dengan
akan memiliki nilai
yang lebih rendah jika temperatur work-piece yang disimbolkan dengan T 0 memiliki nilai yang lebih tinggi.
6.
In aluminum alloys such as 6061 and 5052, which often contain small amounts of Ti (say about 0.02wt%), theTi-rich particles in the work-piece can be dissolved with a gas – tungsten arc by multi-passmelting. If the pre-weld is a multipass weld intended to dissolve such particles and the grain structure is shown in Figure 1, what is the grain refining mechanism in the test weld and why?
Fig. 1
Mekanisme grain refining pada Aluminum paduan 6061 dan 5052 (0,02 wt% Ti) dengan preweld multipass melting yang bertujuan untuk melarutkan partikel yang kaya akan Ti, dan dari Fig. 1 di atas terlihat terbentuknya nukleasi heterogen ( heterogen nucleation). Hal ini dapat dilihat lebih jelas pada Gambar 5, dimana butiran equiaxed akan menghilang setelah masuk daerah overlap lalu mekanisme yang terjadi adalah nukleasi heterogen pembentukan nukleat (partikel AlTi 3).
Agy Randhiko - 1706990306
Gambar 5. Mekanisme grain refining dengan nukleasi heterogen
Pengelasan multipass dari praweld dapat menyebabkan input panas yang tinggi, ini juga akan menyebabkan butir yang sama yang tumbuh karena hadirnya Ti sebagai inokulan. Dalam logam cair yang terkandung inokulan, mengandung sejumlah besar partikel padat dari atom yang dapat dengan mudah diatur dalam bentuk kristal dalam kondisi super dingin, dan atom dalam logam cair tidak lagi diperlukan untuk membentuk inti pada kondisi nukleasi heterogen. Dengan pembekuan yang merata akan mengurangi terjadinya failure dan porositas, serta menghasilkan ukuran butir yang lebih kecil/halus dan rapat di setiap bagian weld metal . Dengan mekanisme grain refining ini diharapkan akan menghasilkan hasil lasan yang lebih baik dibanding tanpa grain refiner .
7.
Equiaxed grains can often be found the crater of a weld that exhibits an essentially purely columnar grain structure, as shown in Figure 2. Explain why.
Figure 2
Agy Randhiko - 1706990306
Hal ini disebabkan karena umumnya area pada akhir pengelasan akan menghasilkan kumpulan logam cair yang lebih banyak dibanding pada jalur lasan yang disebut kawah las (weld pool ) akibat las busur dan feeding dari kawat. Sesaat setelah pengelasan selesai dilakukan, gradien temperatur weld metal pada kawah las menurun dan kristal tumbuh memanjang berlawanan dengan arah perpindahan panas, yaitu panas bergerak dari cairan logam kearah logam induk disekitar kawah las yang bertemperatur lebih rendah yang disebut dengan dendrit. Setiap kristal dendrit mengandung banyak lenganlengan dendrit ( primary dendrite). Jika Fraksi volume padatan (dendrite) meningkat dengan meningkatnya panjang dendrit dan jika struktur yang terbentuk berfasa tunggal, maka lengan-lengan dendrit sekunder dan tertier akan timbul dari lengan dendrit primer. Daerah yang terbentuk antara ujung dendrit dan titik dimana sisa cairan terakhir akan membeku disebut sebagai mushy zone atau pasty zone. Fenomena ini dapat terjadi karena weld pool convection, yang pada prinsipnya dapat menyebabkan fragmentasi ujung dendrit di zona lembek. Fragmen dendrit ini dibawa ke kolam pengelasan massal dan bertindak sebagai inti untuk butir baru yang terbentuk jika mereka bertahan hidup pada suhu kolam las. Weld pool convection juga dapat menyebabkan butiran meleleh sebagian untuk melepaskan diri dari campuran padat-cair yang mengelilingi kolam-las, seperti yang ditunjukkan Gambar 6. Seperti fragmen dendrit, butiran yang meleleh sebagian ini, jika mereka bertahan hidup di kolam lasan, dapat bertindak sebagai inti. untuk pembentukan butiran baru pada logam las.
Gambar 6. Mekanisme fragmentasi dendrit karena weld pool convection.
Agy Randhiko - 1706990306
8.
Gutierrez and Lippold (23) made a preweld in aluminum alloy 2195 and then a test weld perpendicular to it, as shown in Figure 3. (a) Do you expect to see a non-dendritic equiaxed zone near the fusion boundary of the test weld in the overlap region and why or why not? (b) Same as (a) but with the work piece and the preweld solution heat treated before making the test weld.
Figure 3.
a)
Diharapkan bahwa sepanjang batas fusi dari lasan tes di wilayah yang tumpang tindih tidak menunjukkan non-dendritic equiaxed zone (EQZ). Di wilayah ini, pemadatan awal lasan uji terjadi secara epitaxial pada butiran parsial leleh dari preweld . Sebagaimana terlihat pada Gambar 7, mikrostruktur zona fusi dekat batas fusi terdiri dari butiran dendrit seluler dan seluler yang baik. Pembekuan subgrain dapat dibedakan secara jelas oleh jaringan konstituen eutektik interdendritic. PMZ (terkandung dalam preweld) menunjukkan ukuran butiran kasar dengan beberapa pencairan sepanjang batas butir pemadatan.
Gambar 7. Kehadiran EQZ di antara PMZ dan fusion zone (Gutierrez and Lippold, 1998)
Agy Randhiko - 1706990306
b)
Ya, karena proses solution heat treatment (SHT) yang dilakukan pada benda kerja akan menyebabkan beberapa perubahan metalurgi dalam struktur mikro preweld seperti : 1)
Peleburan solid state dari konstituen interdendritic eutectic,
2)
Pertumbuhan butiran dan atau pergerakan batas butir,
3)
Terjadi presipitasi/proses pengendapan pada temperatur tinggi, seperti partikel yang kaya akan Zr
Akibat perubahan dari proses SHT, proses presipitasi dari parti kel yang kaya akan Zr akan paling mungkin mempengaruhi pembentukan equiaxed zone. Daerah nondendritic equiaxed zone terbentuk karena mekanisme nukleasi heterogen karena sebagian besar matriks preweld mengandung sejumlah besar fraksi volume partikel-partikel endapan seperti Al3Zr dan Al3(Zr,Li). Selama proses solidifikasi/pengendapan lasan di dalam daerah overlap, partikel-partikel tersebut berperan sebagai lokasi/tempat terjadinya nukleasi heterogen dan pertumbuhan butiran equiaxed. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. pita kecil dari butir butir equiaxed dapat diamati sepanjang setengah bagian bawah dari profil lasan tes. Diameter nominal dan lebar dari butir-butir equiaxed ini lebih kecil dibandingkan dengan batas fusi EQZ dari pengelasan .
Gambar 8. Kemunculan EQZ (Gutierrez and Lippold, 1998)
Agy Randhiko - 1706990306
9.
Part of a pure Ni ingot with large columnar grains is welded perpendicular to the grains, as shown in Figure 4. Sketch the grain structure in the weld.
Figure 4.
a)
Pengelasan dengan kecepatan las lambat, kolam las akan berbentuk elliptical.
b)
Pengelasan dengan kecepatan las tinggi, kolam las akan berbentuk teardrop.. Sketsa struktur butir dari Ni ingot murni sebagai berikut :
Gambar 9. Sketsa struktur dari Ni ingot murni 10.
A pulsed arc weld is shown in Figure 5. Sketch the grain structure in the area produced by the last pulse.
Figure 5.
Metode lasan dengan pulse arc mengakibatkan penghalusan butir, yang membentuk nukleasi permukaan yang heterogen. Butir yang terbentuk dari pulse arc weld yaitu equiaxed. Sketsa struktur butir di area yang dihasilkan pulse terakhir sbb :
Gambar 10. Struktur butir pada area yang dihasilak oleh pulse terakhir dalam PAW
Agy Randhiko - 1706990306
11.
It has been suggested that the secondary dendrite arm spacing d along the weld centerline can be related quantitatively to the heat input per unit length of weld, Q/V . Based on the data of the dendrite arm spacing d as a function of cooling rate e, similar to those shown in Figure 6.17a, it can be shown that d = aε
-1/b
, where a
and b are constant with b being in the range of 2 – 3. (a) Express the dendrite arm spacing in terms of Q/Vfor bead-on-plate welds in thick-section aluminum alloys. (b) How do the preheat temperature and thermal conductivity affect the dendrite arm spacing? (c) Do you expect the relationship obtained to be very accurate?
a)
Dapat dinyatakan dengan persamaan : d = at n f = b( ε )-n dimana d adalah secunder dendrite arm spacing (DAS), t f adalah waktu solidifikasi setempat, ε adalah laju pendinginan, dan a dan b adalah konstanta proporsional.
b)
Preheat untuk mengelas logam dilakukan bertujuan untuk memperlambat laju pendinginan pada benda kerja. DAS meningkat karena laju pendinginan menurun karena ada lebih sedikit waktu yang tersedia untuk difusi zat terlarut. Menurut konduktivitas termal, DAS juga meningkat saat konduktivitas termal menurun seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.
Gambar 11. Konduktivitas thermal vs DAS pada Al cast A319 (Vazquez-Lopez, C. 1999) c)
Ya, hubungan dari adanya preheating terhadap DAS cukup akurat, karena penurunan cooling rate yang telah dibuktikan perhitungannya oleh banyak percobaan.
Agy Randhiko - 1706990306
12.
The size of the mushy zone is often an interesting piece of information for studying weld metal solidification. Let
d = aε -1/b ,
where d is the dendrite arm spacing and e
the cooling rate. Consider how measurements of the dendrite arm spacing across the weld metal can help determine the size of the mushy zone. Express the width of the mushy zone in the welding direction ∆ x , as shown in Figure 6, in terms of the dendrite arm spacing d, the welding speed V, and the freezing temperature range ∆T (= TL - TE).
Figure 6
Dendrit arm spacing (DAS) sebagai fungsi dari laju pendinginan atau waktu pembekuan :
=. =− =−
dimana d adalah DAS, t f adalah waktu pembekuan lokal, G adalah temperatur gradient, R adalah kecepatan las, ε adalah kecepatan pendinginan, a dan b adalah konstanta proporsional. Dengan asumsi G konstan pada mushy zone dan x = 0 pada temperatur liquidus dari paduan TL, yang dapat digunakan untuk mencari temperatur T pada jarak x.
=
Agy Randhiko - 1706990306
13.
It has been observed that the greater the heat input per unit length of weld (Q/V), the longer it takes to homogenize the micro-segregation in the weld metal of aluminum alloys for improving its mechanical properties. Let
d = aε -1/b,
where d is
the dendrite arm spacing and e the cooling rate. Express the time required for homogenization (t) in terms of Q/V .
=. =− .−/ =./ log log=log+ log log =log log log log =log. log=log. = . 1 = . 1
Persamaan 6.20 dari buku Sindo Kou
, dimana a dan b adalah
konstan dan n=1/b, sehingga :
Subtitusikan pada persamaan 2.17 Sindo Kou :
2 = = 2 = 2 . 1 = 2 . Agy Randhiko - 1706990306
14.
An Al – 1%Cu alloy is welded autogenously by GTAW, and an Al – 5% Cu alloy is welded under identical condition. Which alloy is expected to develop more constitutional super-cooling and why? Which alloy is likely to have more equiaxed dendrites in the weld metal and why?
Al-5% Cu diharapkan untuk mengembangkan lebih banyak constitutional supercooling karena memiliki konsentrasi zat terlarut yang lebih besar. Penambahan zat terlarut mengurangi kekuatan pendorong untuk pembekuan undercooling . Penambahan zat terlarut ke Al paduan tidak hanya memiliki tingkat nukleasi awal yang dihasilkan lebih tinggi dari kekuatan pendorong termodinamika yang lebih besar untuk pembekuan, tetapi juga meningkatkan nukleasi dalam zona yang didinginkan secara konstitusional selama pertumbuhan. Karena nukleasi berikutnya dapat terjadi pada constitutional super-cooling yang lebih kecil, dengan demikian ukuran butir yang dihasilkan lebih kecil. Dengan pendingin yang lebih konstitusional, Al-5% Cu cenderung memiliki dendrit yang lebih sama di logam las. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12 di bawah ini, bahwa meningkatkan constitutional super-cooling akan menghasilkan dendrit yang lebih equiaxed untuk diproduksi.
Gambar 12. Pengaruh constitutional super-cooling pada mode pembekuan (Sindo Kou, 2002)
Agy Randhiko - 1706990306
15.
An Al – 5%Cu alloy is welded autogenously by GTAW and by EBW under the same welding speed but different heat inputs (much less in the case of EBW). Which weld is expected to experience more constitutional supercooling and why? Which weld is likely to have more equiaxed dendrites and why?
Paduan Al – 5%Cu yang dilas menggunakan proses pengelasan EBW diharapkan mengalami pendinginan super konstitusi yang lebih banyak, karena EBW memiliki kepadatan daya yang jauh lebih tinggi daripada GTAW. Karena kerapatan daya sumber panas lebih tinggi, masukan panas ke benda kerja yang diperlukan untuk pengelasan akan lebih rendah. Menurut persamaan di bawah ini, laju pendinginan meningkat dengan penurunan rasio kecepatan pengelasan masukan-panas Q/V. Rasio ini juga mewakili jumlah panas per satuan panjang las (J/cm atau kal/cm). Oleh karena itu, jarak lengan dendrit atau jarak sel dapat diharapkan meningkat dengan meningkatnya Q/V atau jumlah panas per satuan panjang lasan.
Selanjutnya, masukan panas yang lebih rendah akan menghasilkan laju pendinginan yang lebih cepat selama pembekuan dan ada waktu terbatas yang tersedia untuk pengasaran, kemudian jarak lengan dendrit yang jauh lebih halus akan diamati sebagai akibat supercooling konstitusional.
Gambar 13. Pengelasan autogenous dari aluminium 6061 (a) struktur solidifikasi kasar pada GTAW (b) struktur solidifikasi yang lebih halus pada EBW (Sindo Kou, 2002)
Agy Randhiko - 1706990306
16.
In autogenous GTAW of aluminum alloys, how do you expect the amount of equiaxed grains in the weld metal to be affected by preheating and why?
Jelas bahwa laju pendinginan berkurang secara signifikan dengan preheating . Semakin lambat laju pendinginan selama pembekuan, semakin lama waktu yang tersedia untuk menggores dan akan membentuk butir-butir yang lebih s ama. Hal ini disebabkan karena dengan adanya preheating akan menurunkan gradient temperatur (G) sekaligus rasio G/R sehingga memperbesar constitutional supercoolin g dan menyebabkan inti (nukleasi) equiaxed grain lebih mudah terbentuk secara heterogen.
17.
In autogenous GTAW of aluminum alloys, how do you expect the dendrite arm spacing of the weld metal to be affected by preheating and why?
Dalam las autogeneous GTAW dari paduan aluminium, pemanasan awal untuk mengelas logam dilakukan untuk memperlambat laju pendinginan pada benda kerja, karena dengan adanya preheating akan meningkatkan heat input per length. Semakin lambat laju pendinginan selama pembekuan, semakin lama waktu yang tersedia untuk pengasaran dan semakin besar jarak lengan dendrit.
Gambar 14. Hubungan heat input/weld speed terhadap DAS
Agy Randhiko - 1706990306
18.
Figure 7 is a micrograph near the fusion line of an autogenous gas – tungsten arc weld in a Fe – 49% Ni alloy sheet (19). Explain the solidification microstructure, which is to the right of the fusion line (dark vertical line).
Figure 7
Pada batas fusi gradien temperatur (G) masih sangat tinggi dan tidak terjadi pertumbuhan butir (R=0) sehingga yang terbentuk adalah struktur planar . Semakin menjauh dari batas fusi, yaitu di daerah logam las yang setengah meleleh, gradien temperatur semakin menurun dan constitutional supercooling meningkat sehingga menyebabkan partikel inti berdifusi membentuk inti sel baru dan tumbuh secara cellular yang arahnya mengikuti arah butir kristal logam induk akibat pertumbuhan epitaksi dari autogeneous welding dan ada juga yang tumbuh membentuksudut tertentu dengan butiran logam induk akibat competitive growth dimana butir-butir cenderung tumbuh ke arah tegak lurus dengan pool boundary.
Agy Randhiko - 1706990306
