Metalurgi pengelasan

Pengelasan, teknik yang digunakan untuk menggabungkan bagian logam biasanya melalui aplikasi panas. Teknik ini ditemukan selama upaya memanipulasi besi menjadi bentuk yang bermanfaat. Pisau las dikembangkan pada milenium ke-1, yang paling terkenal adalah yang diproduksi oleh armourer Arab di Damaskus, Suriah. Proses karburisasi besi untuk menghasilkan baja keras sudah dikenal saat ini, tetapi baja yang dihasilkan sangat rapuh. Teknik pengelasan — yang melibatkan pemasangan besi yang relatif lunak dan tangguh dengan bahan karbon tinggi, diikuti dengan tempa palu — menghasilkan bilah yang kuat dan tangguh.

Di zaman modern peningkatan teknik pembuatan besi, terutama pengenalan besi cor, pengelasan terbatas pada pandai besi dan perhiasan. Teknik penyambungan lainnya, seperti pengikat dengan baut atau paku keling, secara luas diterapkan pada produk baru, mulai dari jembatan dan mesin kereta api hingga peralatan dapur.

Proses pengelasan fusi modern adalah hasil dari kebutuhan untuk mendapatkan sambungan terus menerus pada pelat baja besar. Paku keling telah terbukti memiliki kerugian, terutama untuk wadah tertutup seperti ketel. Pengelasan gas, pengelasan busur, dan pengelasan resistansi semuanya muncul pada akhir abad ke-19. Upaya nyata pertama untuk mengadopsi proses pengelasan dalam skala luas dibuat selama Perang Dunia I. Pada tahun 1916 proses oxyacetylene dikembangkan dengan baik, dan teknik pengelasan yang digunakan masih digunakan. Perbaikan utama sejak saat itu adalah peralatan dan keselamatan. Las busur, menggunakan elektroda habis pakai, juga diperkenalkan pada periode ini, tetapi kabel telanjang pada awalnya menggunakan las yang rapuh. Solusi ditemukan dengan melilitkan kawat telanjang dengan asbes dan kawat aluminium terjalin. Elektroda modern, diperkenalkan pada tahun 1907, terdiri dari kawat telanjang dengan lapisan mineral dan logam yang kompleks. Pengelasan busur tidak digunakan secara universal sampai Perang Dunia II, ketika kebutuhan mendesak untuk sarana konstruksi yang cepat untuk pengiriman, pembangkit listrik, transportasi, dan struktur memacu pekerjaan pengembangan yang diperlukan.

Pengelasan resistansi, ditemukan pada tahun 1877 oleh Elihu Thomson, diterima jauh sebelum pengelasan busur untuk sambungan spot dan jahitan lembaran. Pengelasan butt untuk membuat rantai dan bergabung dengan bar dan batang dikembangkan selama 1920-an. Pada tahun 1940-an proses gas-inert tungsten, menggunakan elektroda tungsten yang tidak dikonsumsi untuk melakukan las fusi, diperkenalkan. Pada tahun 1948 proses pelindung gas menggunakan kawat elektroda yang dikonsumsi dalam lasan. Baru-baru ini, pengelasan berkas elektron, pengelasan laser, dan beberapa proses fase padat seperti ikatan difusi, pengelasan gesekan, dan penyatuan ultrasonik telah dikembangkan.

Prinsip dasar pengelasan

Lasan dapat didefinisikan sebagai perpaduan logam yang dihasilkan oleh pemanasan pada suhu yang sesuai dengan atau tanpa penerapan tekanan, dan dengan atau tanpa penggunaan bahan pengisi.

Dalam pengelasan fusi, sumber panas menghasilkan panas yang cukup untuk membuat dan memelihara genangan logam cair dengan ukuran yang diperlukan. Panas mungkin disuplai oleh listrik atau oleh nyala gas. Pengelasan resistansi listrik dapat dianggap pengelasan fusi karena beberapa logam cair terbentuk.

Proses fase padat menghasilkan lasan tanpa melelehkan bahan dasar dan tanpa penambahan logam pengisi. Tekanan selalu digunakan, dan umumnya panas disediakan. Panas gesekan dikembangkan dalam ultrasonik dan gesekan bergabung, dan pemanasan tungku biasanya digunakan dalam ikatan difusi.

Busur listrik yang digunakan dalam pengelasan adalah arus, tegangan rendah debit umumnya pada kisaran 10-2.000 ampere pada 10-50 volt. Kolom busur adalah kompleks tetapi, secara umum, terdiri dari katoda yang memancarkan elektron, plasma gas untuk konduksi saat ini, dan daerah anoda yang menjadi relatif lebih panas daripada katoda karena bombardemen elektron. Busur arus searah (DC) biasanya digunakan, tetapi busur arus bolak-balik (AC) dapat digunakan.

Input energi total dalam semua proses pengelasan melebihi apa yang diperlukan untuk menghasilkan sambungan, karena tidak semua panas yang dihasilkan dapat dimanfaatkan secara efektif. Efisiensi bervariasi dari 60 hingga 90 persen, tergantung pada prosesnya; beberapa proses khusus menyimpang secara luas dari gambar ini. Panas hilang dengan konduksi melalui logam dasar dan oleh radiasi ke lingkungan.

Sebagian besar logam, ketika dipanaskan, bereaksi dengan atmosfer atau logam di sekitarnya. Reaksi-reaksi ini dapat sangat merusak sifat-sifat sambungan yang dilas. Sebagian besar logam, misalnya, cepat teroksidasi ketika meleleh. Lapisan oksida dapat mencegah ikatan logam yang tepat. Tetesan logam cair yang dilapisi dengan oksida menjadi terperangkap dalam lasan dan membuat sambungannya rapuh. Beberapa bahan berharga yang ditambahkan untuk sifat spesifik bereaksi sangat cepat pada paparan udara sehingga logam yang disimpan tidak memiliki komposisi yang sama seperti sebelumnya. Masalah-masalah ini telah menyebabkan penggunaan fluks dan atmosfer lembam.

Dalam pengelasan fusi fluks memiliki peran protektif dalam memfasilitasi reaksi terkontrol dari logam dan kemudian mencegah oksidasi dengan membentuk selimut di atas bahan yang meleleh. Fluks dapat aktif dan membantu dalam proses atau tidak aktif dan hanya melindungi permukaan selama bergabung.

Atmosfer lembam memainkan peran perlindungan yang mirip dengan fluks. Dalam busur logam berpelindung gas dan las tungsten-busur berpelindung gas, gas lembam — biasanya argon — mengalir dari anulus yang mengelilingi obor dalam aliran kontinu, memindahkan udara dari sekitar busur. Gas tidak bereaksi secara kimia dengan logam tetapi hanya melindunginya dari kontak dengan oksigen di udara.

Metalurgi dari sambungan logam penting untuk kemampuan fungsional sambungan. Las busur menggambarkan semua fitur dasar sambungan. Tiga zona dihasilkan dari lintasan busur pengelasan: (1) logam las, atau zona fusi, (2) zona yang terpengaruh panas, dan (3) zona yang tidak terpengaruh. Logam las adalah bagian sambungan yang telah meleleh selama pengelasan. Zona yang terpengaruh panas adalah wilayah yang berdekatan dengan logam las yang belum dilas tetapi telah mengalami perubahan struktur mikro atau sifat mekanik akibat panas pengelasan. Bahan yang tidak terpengaruh adalah yang tidak cukup dipanaskan untuk mengubah sifat-sifatnya.

Komposisi logam las dan kondisi di mana ia membeku (membeku) secara signifikan mempengaruhi kemampuan sambungan untuk memenuhi persyaratan layanan. Dalam pengelasan busur, logam las terdiri dari bahan pengisi ditambah logam dasar yang telah meleleh. Setelah busur berlalu, pendinginan yang cepat dari logam las terjadi. Lasan sekali jalan memiliki struktur tuang dengan butiran berbentuk kolom memanjang dari tepi kolam cair ke tengah lasan. Dalam lasan multipas, struktur tuang ini dapat dimodifikasi, tergantung pada logam tertentu yang dilas.

Logam dasar yang berdekatan dengan lasan, atau zona yang dipengaruhi panas, mengalami berbagai siklus suhu, dan perubahan strukturnya berkaitan langsung dengan suhu puncak pada titik tertentu, waktu paparan, dan laju pendinginan. Jenis-jenis logam dasar terlalu banyak untuk dibahas di sini, tetapi mereka dapat dikelompokkan dalam tiga kelas: (1) bahan yang tidak terpengaruh oleh panas pengelasan, (2) bahan yang dikeraskan oleh perubahan struktural, (3) bahan yang dikeraskan oleh proses presipitasi.

Pengelasan menghasilkan tekanan pada material. Gaya-gaya ini diinduksi oleh kontraksi dari logam las dan oleh ekspansi dan kemudian kontraksi dari zona yang terpengaruh panas. Logam yang tidak dipanaskan memaksakan pengekangan di atas, dan karena kontraksi mendominasi, logam las tidak dapat berkontraksi secara bebas, dan tekanan dibangun di sambungan. Ini umumnya dikenal sebagai tegangan sisa, dan untuk beberapa aplikasi kritis harus dihilangkan dengan perlakuan panas seluruh fabrikasi. Tegangan sisa tidak dapat dihindari dalam semua struktur yang dilas, dan jika tidak dikontrol, busur atau distorsi akan terjadi. Kontrol dilakukan dengan teknik pengelasan, jig dan fixture, prosedur fabrikasi, dan perlakuan panas akhir.

Ada berbagai macam proses pengelasan. Beberapa yang paling penting dibahas di bawah ini.