Memahami Kekuatan Kelelahan pada Struktur yang Dilas

Penyebab kegagalan fatik pada struktur yang dilas

Penyebab kegagalan fatik pada struktur yang dilas mencakup beberapa faktor kritis:

① Meskipun sambungan las biasanya menunjukkan kapasitas penahan beban statis yang sebanding dengan logam dasar, kinerjanya di bawah pembebanan siklik sangat terganggu. Ketahanan fatik ini sangat dipengaruhi oleh konfigurasi sambungan dan desain struktural secara keseluruhan. Akibatnya, kegagalan dini sering terjadi pada sambungan las, yang membahayakan integritas seluruh struktur.

Secara historis, desain struktur pengelasan memprioritaskan kekuatan beban statis, dan mengabaikan pertimbangan fatik yang krusial. Kelalaian ini, ditambah dengan tidak adanya standar desain fatik yang komprehensif, telah menyebabkan desain sambungan yang kurang optimal yang sekarang diakui tidak memadai untuk pembebanan siklik jangka panjang.

③ Terdapat kesenjangan pengetahuan di antara para perancang teknik dan teknisi mengenai karakteristik ketahanan fatik yang unik dari struktur yang dilas. Kekurangan ini sering kali mengakibatkan penerapan kriteria desain fatik dan bentuk struktur yang tidak tepat dari struktur logam yang tidak dilas, sehingga gagal mengatasi tantangan spesifik yang ditimbulkan oleh sambungan las.

④ Berkembangnya struktur yang dilas, dikombinasikan dengan tren industri yang mengutamakan efektivitas biaya dan pengurangan berat, telah menyebabkan peningkatan beban desain. Dorongan pengoptimalan ini, meskipun bermanfaat untuk skenario statis, sering kali memperburuk masalah terkait kelelahan dengan mendorong material lebih dekat ke batas daya tahannya.

⑤ Karena struktur yang dilas semakin banyak digunakan dalam aplikasi berkecepatan tinggi dan beban berat, maka tuntutan terhadap kapasitas penahan beban dinamisnya semakin meningkat. Namun, penelitian mengenai kekuatan fatik struktur las belum mampu mengimbangi persyaratan yang terus berkembang ini, sehingga menciptakan kesenjangan pengetahuan yang kritis dalam desain dan prediksi kinerja.

⑥ Konsentrasi tegangan yang melekat pada ujung dan akar las, ditambah dengan potensi cacat pengelasan seperti kurangnya fusi atau porositas, berfungsi sebagai tempat inisiasi retak fatik. Diskontinuitas mikrostruktural dan geometris ini secara signifikan mengurangi umur fatik komponen yang dilas dibandingkan dengan komponen yang tidak dilas.

⑦ Tegangan sisa yang terjadi selama proses pengelasan, khususnya tegangan sisa tarik di dekat zona las, secara substansial dapat mengurangi kekuatan fatik efektif struktur dengan memfasilitasi inisiasi dan perambatan retak di bawah pembebanan siklik.

2. Penyebab kegagalan fatik pada struktur yang dilas

2.1 Pengaruh kekuatan beban statis terhadap kekuatan fatik struktur yang dilas

Dalam studi material besi dan baja, para peneliti berusaha keras untuk mendapatkan kekuatan spesifik yang tinggi, yang berarti kemampuan untuk menopang beban berat namun tetap ringan. Hal ini memungkinkan struktur memiliki daya dukung yang lebih besar dengan tetap mempertahankan berat yang sama, atau memiliki kapasitas yang sama namun lebih ringan. Hasilnya, baja berkekuatan tinggi dikembangkan dan memiliki kekuatan fatik yang tinggi.

Kekuatan fatik logam dasar meningkat dengan meningkatnya kekuatan beban statis. Namun, hal ini tidak berlaku untuk struktur yang dilas. Kekuatan fatik sambungan las memiliki korelasi yang terbatas dengan kekuatan statis logam dasar, logam las, struktur mikro dan sifat zona yang terpengaruh panas, dan kecocokan kekuatan logam las.

Dengan kata lain, dengan detail sambungan las yang sama, kekuatan fatik baja berkekuatan tinggi dan baja karbon rendah adalah sama, dan keduanya menunjukkan kurva S-N yang sama. Hal ini berlaku untuk berbagai jenis sambungan seperti sambungan butt joint, sambungan sudut, dan balok las.

Maddox melakukan penelitian tentang pertumbuhan retak fatik baja karbon-mangan dengan titik leleh berkisar antara 386 hingga 636 MPa, dan logam las serta zona yang terpengaruh panas yang dilas menggunakan enam elektroda yang berbeda.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa sifat mekanik material memiliki dampak pada laju pertumbuhan retak, tetapi efeknya tidak signifikan.

Dalam desain struktur las yang dikenai beban bolak-balik, memilih baja berkekuatan tinggi tidak berarti dalam memenuhi persyaratan teknik. Baja berkekuatan tinggi hanya diperlukan untuk logam dasar sambungan las jika rasio tegangan lebih besar dari +0.5 dan kondisi kekuatan statik berperan dominan.

Alasan dari hasil ini adalah adanya cacat slag wedge yang mirip dengan undercut di sepanjang garis fusi pada ujung las pada sambungan, dengan ketebalan 0,075 mm hingga 0,5 mm dan radius ujung kurang dari 0,015 mm. Cacat tajam tersebut merupakan asal mula retak fatik, setara dengan tahap pembentukan retak fatik.

Oleh karena itu, umur fatik sambungan di bawah amplitudo tegangan tertentu terutama ditentukan oleh tahap perambatan retak fatik. Cacat ini menghasilkan jenis sambungan las yang sama untuk semua baja yang memiliki kekuatan fatik yang sama, tanpa memperhatikan kekuatan statis logam dasar dan material las.

2.2 Pengaruh konsentrasi tegangan pada kekuatan fatik

2.2.1 Pengaruh jenis sambungan

Sambungan las meliputi sambungan butt, sambungan silang, sambungan T, dan sambungan pangkuan. Sambungan ini rentan terhadap konsentrasi tegangan akibat gangguan saluran transmisi gaya.

Interferensi garis tegangan pada sambungan butt sangat minim, sehingga menghasilkan konsentrasi tegangan yang rendah dan kekuatan fatik yang lebih tinggi dibandingkan dengan sambungan lainnya. Namun, percobaan telah menunjukkan bahwa kekuatan fatik sambungan butt dapat sangat bervariasi, karena berbagai faktor seperti ukuran sampel, bentuk alur, metode pengelasan, jenis elektroda, posisi pengelasan, bentuk pengelasan, proses pengelasan pasca-pengelasan, dan perlakuan panas pasca-pengelasan.

Penggunaan backing plate permanen pada sambungan butt joint dapat menyebabkan konsentrasi tegangan yang signifikan pada backing plate dan mengurangi kekuatan fatik sambungan. Retak fatik pada sambungan jenis ini terjadi pada sambungan antara las dan pelat penyangga, bukan pada ujung las, dan kekuatan fatiknya secara umum sama dengan sambungan butt joint dengan bentuk terburuk tanpa pelat penyangga.

Sambungan silang dan sambungan T banyak digunakan dalam struktur yang dilas.

Pada sambungan penahan beban ini, perubahan penampang yang jelas pada transisi dari las ke logam dasar menghasilkan faktor konsentrasi tegangan yang lebih tinggi dibandingkan dengan sambungan butt, yang menyebabkan kekuatan fatik yang lebih rendah untuk sambungan silang dan T dibandingkan dengan sambungan butt.

Untuk sambungan tidak miring yang dihubungkan dengan pengelasan fillet Pada sambungan silang dan sambungan beralur dengan las penetrasi lokal, fraktur fatik dapat terjadi pada dua sambungan yang lemah, yaitu sambungan antara logam dasar dan ujung las atau las, ketika las menyalurkan tegangan kerja. Untuk sambungan silang dengan penetrasi alur, fraktur umumnya hanya terjadi pada ujung las, bukan pada las.

Kekuatan fatik sambungan berbentuk T dan sambungan silang, di mana lasan tidak menanggung tegangan kerja, terutama bergantung pada konsentrasi tegangan pada persimpangan lasan dan pelat yang diberi tegangan utama. Sambungan T memiliki kekuatan fatik yang lebih tinggi, sedangkan sambungan silang memiliki kekuatan fatik yang lebih rendah.

Meningkatkan kekuatan fatik pada sambungan berbentuk T atau sambungan silang dapat dicapai dengan menggunakan pengelasan alur dan pemesinan transisi las untuk menciptakan transisi yang mulus. Tindakan ini dapat meningkatkan kekuatan fatik secara signifikan.

Kekuatan fatik sambungan pangkuan sangat rendah karena distorsi garis gaya yang serius. Menggunakan sambungan pantat pelat penutup yang disebut "diperkuat" sangat tidak masuk akal.

Penggunaan pelat penutup pada sambungan butt joint secara signifikan melemahkan kekuatan fatiknya yang tinggi karena peningkatan konsentrasi tegangan.

Pada sambungan pelat penutup penahan beban, retak fatik dapat terjadi pada logam dasar atau pada lasan. Lebih jauh lagi, mengubah lebar pelat penutup atau panjang lasan akan mengubah distribusi tegangan pada logam dasar, yang mempengaruhi kekuatan fatik sambungan. Kekuatan fatik sambungan meningkat seiring dengan bertambahnya rasio panjang las terhadap lebar pelat penutup, karena hal ini cenderung menghasilkan distribusi tegangan yang lebih seragam pada logam dasar.

2.2.2 Pengaruh bentuk las

Terlepas dari bentuk sambungannya, keduanya dihubungkan dengan dua jenis las: las butt dan pengelasan fillet.

Bentuk lasan mempengaruhi faktor konsentrasi tegangan, yang menyebabkan variasi kekuatan fatik yang signifikan.

Bentuk butt weld memiliki dampak terbesar pada kekuatan fatik sambungan.

(1) Pengaruh sudut transisi

Yamaguchi dkk. menetapkan hubungan antara kekuatan fatik dan sudut transisi (sudut tumpul eksternal) antara logam dasar dan logam las.

Dalam pengujian, lebar las (W) dan tinggi (H) berubah, tetapi rasio H/W tetap konstan, yang berarti sudut yang disertakan tetap tidak berubah. Hasilnya menunjukkan bahwa kekuatan fatik juga tidak berubah.

Namun, ketika lebar las tetap konstan dan ketinggian berubah, ditemukan bahwa peningkatan ketinggian mengakibatkan penurunan kekuatan fatik sambungan. Hal ini jelas disebabkan oleh penurunan sudut eksternal yang disertakan.

(2) Pengaruh radius transisi las

Hasil penelitian Sander dkk. menunjukkan bahwa radius transisi las juga secara signifikan berdampak pada kekuatan fatik sambungan. Ketika radius transisi meningkat (sementara sudut transisi tetap tidak berubah), kekuatan fatik meningkat.

Bentuk las fillet juga memiliki dampak yang signifikan terhadap kekuatan fatik sambungan. Ketika rasio ketebalan yang dihitung (a) dari las tunggal terhadap ketebalan pelat (b) kurang dari 0,6 hingga 0,7, umumnya akan putus pada las. Bila a/b > 0,7, umumnya sambungan akan putus dari logam dasar.

Menambah ukuran las tidak dapat mengubah kekuatan bagian lain yang lemah, yaitu logam dasar di ujung kaki las, dan oleh karena itu, kekuatan fatiknya tidak dapat dilampaui.

Soete dan Van Crombrugge melakukan pengujian pada pelat setebal 15mm yang dilas dengan pengelasan fillet yang berbeda di bawah beban fatik aksial.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa ketika kaki las berukuran 13mm, patahan terjadi pada logam dasar atau pada ujung las. Jika kaki las kurang dari nilai ini, fraktur fatik terjadi pada las. Ketika ukuran kaki las adalah 18mm, patahan terjadi pada logam dasar.

Berdasarkan temuan ini, mereka mengusulkan batas ukuran kaki las: S = 0,85B, di mana S adalah ukuran kaki las dan B adalah ketebalan pelat.

Bahkan jika ukuran kaki las mencapai ketebalan pelat (15mm), fraktur masih terjadi pada pengelasan, yang menegaskan hasil teoritis.

2.2.3 pengaruh dari cacat pengelasan

Ada banyak jenis yang berbeda jenis cacat pada ujung las yang menyebabkan retak dini pada retak fatik dan penurunan kekuatan fatik yang signifikan pada logam dasar (hingga 80%).

Cacat pengelasan secara umum dapat dibagi menjadi dua kategori:

Cacat planar (seperti retakan dan kurangnya fusi) dan cacat volumetrik (seperti pori-pori dan inklusi terak) memiliki tingkat pengaruh yang berbeda-beda.

Selain itu, dampak dari cacat pengelasan pada kekuatan fatik sambungan tergantung pada jenis, arah, dan lokasi cacat.

1) Retak

Retak dalam pengelasanseperti retakan dingin dan panas, merupakan sumber konsentrasi tegangan yang signifikan selain struktur mikro yang rapuh dan secara signifikan dapat mengurangi kekuatan fatik struktur atau sambungan.

Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa pada sampel sambungan butt joint baja karbon rendah dengan lebar 60mm dan ketebalan 12,7mm, ketika terdapat retakan dengan panjang 25mm dan kedalaman 5,2mm pada lasan (yang menempati sekitar 10% dari luas penampang sampel), kekuatan fatik di bawah beban bolak-balik berkurang sebesar 55% menjadi 65% setelah 2 juta siklus.

2) Penetrasi yang tidak lengkap

Penting untuk dicatat bahwa penetrasi yang tidak sempurna tidak selalu dianggap sebagai cacat, karena mungkin sengaja dirancang untuk sambungan tertentu, seperti nozel bejana tekan.

Cacat penetrasi yang tidak sempurna dapat berupa cacat permukaan (pengelasan satu sisi) atau cacat internal (pengelasan dua sisi), dan dapat bersifat lokal atau keseluruhan. Cacat ini terutama melemahkan area penampang dan menyebabkan konsentrasi tegangan.

Pengujian telah menunjukkan bahwa dibandingkan dengan hasil tanpa cacat tersebut, kekuatan fatik berkurang sebesar 25%, yang berarti dampaknya tidak separah retakan.

3) Perpaduan yang tidak sempurna

Meskipun merupakan masalah yang signifikan, namun hanya ada sedikit penelitian tentang topik ini karena kesulitan dalam persiapan sampel.

Namun demikian, jelas bahwa kurangnya fusi adalah jenis cacat planar dan tidak dapat diabaikan. Hal ini sering dianggap sebagai bentuk penetrasi yang tidak sempurna.

4) Memotong

Parameter utama yang menggambarkan undercut adalah panjang undercut (L), kedalaman undercut (h), dan lebar undercut (W).

Saat ini, parameter utama yang mempengaruhi kekuatan fatik adalah kedalaman undercut (h), dan dapat dievaluasi dengan kedalaman (h) atau rasio kedalaman terhadap ketebalan pelat (h/B).

5) Stomata

Harrison menganalisis dan merangkum hasil pengujian sebelumnya yang terkait dengan cacat volumetrik.

Penurunan kekuatan fatik terutama disebabkan oleh berkurangnya luas penampang yang disebabkan oleh pori-pori. Terdapat hubungan linier di antara keduanya.

Namun, beberapa penelitian menunjukkan bahwa ketika permukaan sampel dikerjakan dengan mesin, mengakibatkan pori-pori berada di atau tepat di bawah permukaan, dampak negatif dari pori-pori tersebut akan meningkat. Pori-pori tersebut akan bertindak sebagai sumber konsentrasi tegangan dan menjadi titik awal terjadinya retak fatik.

Hal ini menunjukkan bahwa lokasi pori-pori memiliki dampak yang lebih besar pada kekuatan fatik sambungan daripada ukurannya, dan pori-pori yang terletak di atas atau di bawah permukaan memiliki efek negatif yang paling signifikan.

6) Inklusi terak

Penelitian yang dilakukan oleh IIW menunjukkan bahwa di antara cacat volumetrik, inklusi terak memiliki dampak yang lebih besar terhadap kekuatan fatik sambungan dibandingkan dengan porositas.

Dampak cacat pengelasan terhadap kekuatan fatik sambungan tidak hanya bergantung pada ukuran cacat, tetapi juga dipengaruhi oleh berbagai faktor lain seperti cacat permukaan yang berdampak lebih besar dibandingkan cacat internal, dan cacat planar yang tegak lurus terhadap arah gaya yang berdampak lebih besar dibandingkan dengan arah lainnya.

Pengaruh cacat yang terletak di area tegangan tarik sisa lebih besar daripada area tegangan tekan sisa, dan cacat yang terletak di area konsentrasi tegangan, seperti retakan ujung las, memiliki dampak yang lebih besar daripada cacat yang sama pada bidang tegangan yang seragam.

2.3 Pengaruh tegangan sisa pengelasan terhadap kekuatan fatik

Pengelasan tegangan sisa adalah karakteristik struktur las yang dipelajari secara luas untuk mengetahui dampaknya terhadap kekuatan fatik struktur tersebut. Sejumlah studi eksperimental telah dilakukan untuk meneliti masalah ini.

Uji kelelahan sering dilakukan dengan membandingkan sampel dengan tegangan sisa pengelasan yang telah menjalani perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa. Hal ini karena timbulnya tegangan sisa pengelasan sering kali disertai dengan perubahan sifat material yang diakibatkan oleh siklus termal pengelasandan perlakuan panas tidak hanya menghilangkan tegangan sisa tetapi juga memulihkan sebagian atau seluruh sifat material.

Namun demikian, karena variabilitas hasil pengujian, terdapat perbedaan interpretasi hasil dan evaluasi dampak tegangan sisa pengelasan. Hal ini dapat dilihat dengan melihat penelitian awal dan terbaru yang dilakukan oleh berbagai individu.

Sebagai contoh, peneliti yang berbeda telah mencapai kesimpulan yang berbeda dari pengujian siklus 2×106 pada sambungan butt dengan tulangan.

Telah ditemukan bahwa kekuatan fatik sampel setelah perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan adalah 12,5% lebih tinggi daripada sampel yang sama dalam keadaan dilas. Namun demikian, beberapa penelitian menemukan bahwa kekuatan fatik dari sampel yang dilas dan yang diberi perlakuan panas adalah sama, dengan sedikit perbedaan. Pada temuan lain, kekuatan fatik meningkat setelah perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa, tetapi peningkatannya jauh lebih rendah dari 12,5%.

Hasil yang serupa ditemukan pada pengujian sampel sambungan butt joint dengan penggerindaan permukaan. Beberapa pengujian menunjukkan bahwa kekuatan fatik dapat ditingkatkan hingga 17% setelah perlakuan panas, sementara pengujian lainnya tidak menunjukkan peningkatan.

Masalah ini telah menjadi sumber kebingungan selama beberapa waktu. Namun, serangkaian pengujian di bawah beban bolak-balik yang dilakukan oleh para ahli di bekas Uni Soviet membantu memperjelas masalah ini. Penelitian Trufyakov mengenai pengaruh tegangan sisa pengelasan terhadap kekuatan fatik sambungan di bawah karakteristik siklus tegangan yang berbeda, sangat penting untuk diperhatikan.

Pengujian dilakukan dengan menggunakan baja struktural paduan rendah biasa 14Mn2 dan melibatkan las butt transversal pada sampel, dengan satu manik las memanjang yang dilapiskan pada kedua sisi.

Satu kelompok sampel menjalani perlakuan panas untuk menghilangkan tegangan sisa setelah pengelasan, sedangkan kelompok lainnya tidak diberi perlakuan. Uji perbandingan kekuatan fatik dilakukan dengan menggunakan tiga koefisien karakteristik siklus tegangan, r = -1, 0, dan +0,3.

Di bawah beban bolak-balik (r = -1), kekuatan fatik sampel dengan tegangan sisa yang dihilangkan mendekati 130 MPa, sedangkan sampel tanpa eliminasi memiliki kekuatan fatik hanya 75 MPa.

Di bawah beban berdenyut (r = 0), kekuatan fatik kedua kelompok sampel sama, yaitu 185 MPa.

Ketika r = 0,3, kekuatan fatik sampel dengan tegangan sisa yang dihilangkan dengan perlakuan panas adalah 260 MPa, sedikit lebih rendah daripada sampel tanpa perlakuan panas, yang memiliki kekuatan fatik 270 MPa.

Alasan utama untuk fenomena ini adalah:

Ketika nilai r tinggi, seperti di bawah beban berdenyut (r = 0), kekuatan fatik tinggi, dan tegangan sisa dengan cepat dilepaskan di bawah pengaruh tegangan tarik tinggi, sehingga mengurangi dampak tegangan sisa pada kekuatan fatik. Ketika r meningkat menjadi 0,3, tegangan sisa semakin berkurang di bawah beban, sehingga tidak berpengaruh pada kekuatan fatik.

Perlakuan panas tidak hanya menghilangkan tegangan sisa, tetapi juga melembutkan material, yang menyebabkan penurunan kekuatan fatik setelah perlakuan.

Pengujian ini menunjukkan pengaruh tegangan sisa dan perubahan material yang disebabkan oleh siklus termal pengelasan terhadap kekuatan fatik. Hal ini juga menunjukkan bahwa dampak tegangan sisa pengelasan terhadap kekuatan fatik sambungan terkait dengan karakteristik siklus tegangan beban fatik. Ketika nilai karakteristik siklus rendah, dampaknya relatif tinggi.

Sebelumnya telah dicatat bahwa, karena tegangan sisa yang mencapai hasil material titik pada las struktural, pada sambungan dengan siklus tegangan amplitudo konstan, siklus tegangan aktual di dekat lasan akan turun di bawah titik leleh material, terlepas dari karakteristik siklus aslinya.

Sebagai contoh, siklus tegangan nominal seharusnya +S1 hingga -S2, dengan rentang tegangan S1 + S2. Namun, rentang siklus tegangan aktual pada sambungan adalah dari sy (amplitudo tegangan pada titik leleh) hingga SY-(S1 + S2).

Ini adalah faktor penting yang perlu dipertimbangkan ketika mempelajari kekuatan fatik sambungan las, sehingga beberapa kode desain mengganti karakteristik siklik r dengan rentang tegangan.

Selain itu, ukuran spesimen, mode pembebanan, rasio siklus tegangan, dan spektrum beban juga memiliki dampak yang signifikan terhadap kekuatan fatik.

3. Metode proses untuk meningkatkan kekuatan fatik struktur yang dilas

Inisiasi retak fatik pada sambungan las biasanya terjadi pada akar las dan ujung las. Jika risiko inisiasi retak fatik pada akar las dikontrol, titik yang paling rentan pada sambungan las akan terkonsentrasi pada ujung las.

Ada beberapa cara untuk meningkatkan kekuatan fatik sambungan las:

① Mengurangi atau menghilangkan cacat pengelasan, terutama bukaan;

② Memperbaiki geometri ujung las dan mengurangi faktor konsentrasi tegangan;

Sesuaikan bidang tegangan sisa pengelasan untuk menghasilkan bidang tegangan tekan sisa. Metode perbaikan ini dapat dibagi menjadi dua kategori, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.

Mengoptimalkan proses pengelasan tidak hanya meningkatkan kekuatan fatik struktur yang dilas tetapi juga meningkatkan kekuatan beban statis dan sifat metalurgi sambungan las. Ada banyak sekali data tentang topik ini, yang tidak akan diulangi di sini.

Tabel 1 metode peningkatan kekuatan fatik struktur yang dilas

Metode utama untuk meningkatkan kekuatan fatik sambungan las dibahas secara rinci dalam tiga bagian, dengan fokus pada metode proses.

3.1 Metode untuk meningkatkan geometri ujung las dan mengurangi konsentrasi tegangan

1) Pembalut TIG

Penelitian telah menunjukkan bahwa perbaikan TIG dapat secara signifikan meningkatkan kekuatan fatik sambungan las, baik di dalam maupun luar negeri. Proses ini melibatkan penggunaan Pengelasan TIG untuk melelehkan kembali bagian transisi sambungan las, menciptakan transisi yang mulus antara las dan logam dasar. Hal ini mengurangi konsentrasi tegangan dan menghilangkan non-logam inklusi terak, sehingga menghasilkan peningkatan kekuatan fatik sambungan.

Pistol las biasanya diposisikan 0,5 hingga 1,5 mm dari ujung las selama proses perbaikan, dan area yang dilebur harus dijaga kebersihannya. Penambahan sedikit penggerindaan sebelumnya akan meningkatkan hasilnya.

Sangat penting untuk menangani proses busur ulang dengan benar jika pemadaman busur terjadi selama peleburan ulang, karena hal ini akan berdampak pada kualitas manik las yang dilebur ulang. Posisi terbaik untuk busur ulang umumnya 6mm di depan kawah manik las.

Baru-baru ini, International Welding Society berkolaborasi dengan lembaga penelitian pengelasan di beberapa negara Eropa dan Jepang untuk melakukan studi terpadu tentang keampuhan metode untuk meningkatkan kekuatan fatik sambungan. Sampel disiapkan oleh British Welding Research Institute.

Studi ini mengkonfirmasi bahwa kekuatan fatik nominal sambungan setelah 2×10⁶ siklus meningkat sebesar 58% setelah perlakuan dengan metode ini. Nilai nominal kekuatan fatik 211MPa ini sesuai dengan nilai karakteristik (indeks K) 144MPa. Ini melampaui nilai FAT tertinggi dalam kekuatan fatik detail sambungan yang ditetapkan oleh International Welding Society.

2) Pemesinan

Pemesinan permukaan las dapat sangat mengurangi konsentrasi tegangan dan meningkatkan kekuatan fatik sambungan butt joint. Jika lasan bebas dari cacat, kekuatan fatiknya bahkan dapat melampaui kekuatan logam dasar. Namun, pemesinan adalah proses yang mahal dan hanya boleh dilakukan jika manfaatnya sebanding dengan biayanya.

Pada kasus pengelasan dengan cacat yang signifikan dan tidak ada pengelasan bawah, konsentrasi tegangan pada cacat atau akar las jauh lebih parah daripada di permukaan, sehingga pemesinan menjadi tidak berarti. Jika terdapat cacat penetrasi yang kurang, retak fatik tidak akan dimulai pada tulangan dan ujung las, melainkan berpindah ke akar las. Dalam kasus seperti itu, pemesinan sebenarnya dapat mengurangi kekuatan fatik sambungan.

Menggerinda hanya bagian ujung las saja, bukan seluruh logam las, juga dapat meningkatkan kekuatan fatik sambungan. Penelitian telah menunjukkan bahwa titik inisiasi retak dalam skenario ini berpindah dari ujung las ke cacat las.

Uji kekuatan fatik yang dilakukan oleh Makorov dari bekas Uni Soviet pada baja berkekuatan tinggi (kekuatan tarik σb = 1080MPa) menunjukkan bahwa kekuatan fatik las butt transversal di bawah beban bolak-balik adalah ± 150MPa setelah 2×10⁶ siklus saat dilas. Pemesinan lasan dan pelepasan tulangan meningkatkan kekuatan fatik menjadi ± 275MPa, setara dengan kekuatan fatik logam dasar. Penggerindaan lokal pada ujung las butt menghasilkan kekuatan fatik ± 245MPa, setara dengan 83% efek pemesinan dan peningkatan 65% pada kondisi las.

Penting untuk diperhatikan bahwa teknik yang tepat harus digunakan dalam pemesinan atau penggerindaan untuk memastikan peningkatan kekuatan fatik yang diinginkan.

3) Penggerindaan roda gerinda

Penggerindaan dengan roda gerinda mungkin tidak seefektif pemesinan, tetapi masih merupakan metode yang berguna untuk meningkatkan kekuatan fatik sambungan las. International Welding Society merekomendasikan penggunaan roda gerinda yang digerakkan oleh listrik atau hidrolik berkecepatan tinggi dengan kecepatan 15.000 hingga 40.000 RPM, yang terbuat dari bahan tungsten karbon. Diameter roda harus memastikan bahwa kedalaman dan radius penggerindaan sama atau lebih besar dari 1/4 ketebalan pelat.

Penelitian terbaru dari International Welding Society menemukan bahwa kekuatan fatik nominal sampel setelah 2 siklus meningkat sebesar 45% setelah penggerindaan. Nilai nominal kekuatan fatik 199 MPa sesuai dengan nilai karakteristik (135 MPa), yang lebih tinggi dari nilai FAT tertinggi pada kekuatan fatik detail sambungan yang ditetapkan oleh International Welding Society.

Penting untuk diperhatikan bahwa arah penggerindaan harus sejajar dengan arah garis tegangan. Penggerindaan dengan arah yang berbeda dapat meninggalkan takik yang tegak lurus terhadap garis tegangan, yang secara efektif bertindak sebagai sumber konsentrasi tegangan dan mengurangi kekuatan fatik sambungan.

4) Metode elektroda khusus

Metode ini melibatkan pengembangan jenis elektroda baru. Logam cair dan terak cairnya memiliki keterbasahan yang tinggi, yang meningkatkan radius transisi las, mengurangi sudut pada ujung las, mengurangi konsentrasi tegangan pada ujung las, dan meningkatkan kekuatan fatik pada sambungan las.

Seperti halnya perbaikan las TIG, las ini memiliki preferensi yang kuat untuk posisi pengelasan tertentu, terutama pengelasan datar dan fillet, sementara manfaatnya berkurang secara signifikan untuk pengelasan vertikal, horizontal, dan pengelasan di atas kepala.

3.2 Metode penyesuaian bidang tegangan sisa untuk menghasilkan tegangan tekan

1) Metode pra kelebihan beban

Ketika beban tarik diterapkan pada spesimen yang mengandung konsentrasi tegangan hingga luluh terjadi pada takikan, menghasilkan beberapa deformasi plastis tarik, tegangan tekan akan dihasilkan di lokasi deformasi plastis tarik di dekat takikan yang dibebani setelah pembongkaran. Tegangan tarik di bawah titik leleh akan diseimbangkan di bagian lain dari sampel.

Pada pengujian fatik selanjutnya, rentang tegangan spesimen yang mengalami perlakuan ini akan berbeda dengan spesimen asli tanpa preloading, dan akan berkurang secara signifikan. Hal ini dapat meningkatkan kekuatan fatik sambungan las.

Penelitian menunjukkan bahwa uji prapemuatan diperlukan sebelum struktur las yang besar, seperti jembatan dan bejana tekan, dioperasikan. Hal ini akan meningkatkan kinerja kelelahannya.

2) Pemanasan lokal

Pemanasan lokal dapat menyesuaikan bidang tegangan sisa dalam pengelasan, menghasilkan tegangan sisa tekan pada titik konsentrasi tegangan, yang dapat meningkatkan kekuatan fatik sambungan. Saat ini, metode ini hanya dapat diterapkan pada pengelasan terputus memanjang atau sambungan dengan pelat yang dikekang memanjang.

Untuk pelat fillet satu sisi, posisi pemanasan biasanya sekitar 1/3 dari lebar pelat dari lasan. Untuk pelat fillet dua sisi, posisi pemanasan adalah bagian tengah pelat. Hal ini menghasilkan tegangan tekan pada lasan, sehingga meningkatkan kekuatan fatik sambungan.

Peneliti yang berbeda telah memperoleh hasil yang bervariasi dengan menggunakan metode ini. Untuk pelat buhul satu sisi, kekuatan fatik meningkat 145-150%, sedangkan untuk pelat buhul dua sisi, kekuatan fatik meningkat 70-187%.

Posisi pemanasan lokal memiliki dampak yang signifikan terhadap kekuatan fatik sambungan. Pemanasan titik pada ujung las menyebabkan tegangan sisa tekan pada takik dan meningkatkan kekuatan fatik sebesar 53%. Namun, pemanasan titik di tengah sampel di ujung las, dengan jarak yang sama dari ujung las, memiliki efek metalografi yang sama tetapi menghasilkan tegangan sisa tarik, menghasilkan kekuatan fatik yang sama dengan spesimen yang tidak diberi perlakuan.

3) Metode ekstrusi

Mekanisme ekstrusi lokal mirip dengan metode pemanasan titik, yaitu meningkatkan kekuatan fatik sambungan dengan menghasilkan tegangan sisa tekan. Namun, titik kerjanya berbeda dan posisi ekstrusi harus berada di tempat yang diinginkan untuk menghasilkan tegangan sisa tekan.

Metode ekstrusi memiliki efek yang lebih signifikan pada sampel baja berkekuatan tinggi daripada baja karbon rendah.

4) Metode Gurnnert

Gunnert mengusulkan suatu metode untuk mendapatkan hasil yang memuaskan, karena sulitnya menentukan posisi dan suhu pemanasan secara akurat dalam metode pemanasan lokal. Kunci metode ini adalah memanaskan takik secara langsung, dan bukannya area sekelilingnya, ke suhu yang dapat menyebabkan deformasi plastis, tetapi lebih rendah daripada suhu transformasi fasa, yaitu 55°C atau 550°C, kemudian mendinginkannya secara cepat.

Pendinginan yang terlambat pada logam di bawah permukaan dan logam di sekitarnya yang tidak didinginkan akan menyebabkan penyusutan dan menghasilkan tegangan tekan pada permukaan yang didinginkan. Tegangan tekan ini dapat meningkatkan kekuatan fatik member.

Penting untuk diperhatikan, bahwa proses pemanasan harus dilakukan secara perlahan-lahan untuk memanaskan lapisan bawah. Gunnert merekomendasikan waktu pemanasan selama 3 menit, sedangkan Harrison merekomendasikan 5 menit.

Ohta berhasil mencegah retak fatik pada pipa butt dengan menggunakan metode ini. Bagian luar pipa dipanaskan dengan induksi dan bagian dalam didinginkan dengan sirkulasi air, menghasilkan tegangan tekan di dalam pipa dan secara efektif mencegah terbentuknya retak fatik. Setelah perawatan, laju pertumbuhan retak fatik pada pipa butt weld sangat berkurang dan mencapai laju pertumbuhan retak yang sama dengan logam dasar.

3.3 Metode untuk mengurangi konsentrasi tegangan dan menghasilkan tegangan tekan

1) Metode palu

Hammering adalah metode pengerjaan dingin yang menciptakan tegangan tekan pada permukaan ujung las pada sambungan. Efektivitas metode ini bergantung pada deformasi plastis pada permukaan kaki las.

Selain itu, pemalu dapat mengurangi ketajaman takik dan dengan demikian konsentrasi tegangan, yang mengarah pada peningkatan yang signifikan dalam kekuatan fatik sambungan. Masyarakat Pengelasan Internasional merekomendasikan tekanan palu udara sebesar 5-6 Pa.

Bagian atas kepala palu harus kokoh dengan diameter 8-12mm, dan dianjurkan untuk menggunakan empat tumbukan untuk memastikan kedalaman tumbukan 0,6mm.

Penelitian oleh International Welding Society menunjukkan bahwa untuk sambungan T yang tidak menahan beban, memalu meningkatkan kekuatan fatik sebesar 54% di bawah 2×10⁶ siklus.

2) Tembakan peening

Shot peening adalah bentuk lain dari hammering dan merupakan jenis pemesinan tumbukan. Efektivitas shot peening bergantung pada diameter shot peening. Diameternya tidak boleh terlalu besar untuk mengatasi cacat kecil, tetapi tidak terlalu kecil untuk mencapai tingkat pengerasan kerja dingin tertentu. Shot peening biasanya dapat menabrak permukaan hingga kedalaman seperseribu milimeter.

Penelitian menunjukkan bahwa shot peening dapat sangat meningkatkan kekuatan fatik sambungan baja berkekuatan tinggi, dan memiliki efek yang sangat kuat pada pengelasan busur argon material baja berkekuatan tinggi, bahkan melampaui perbaikan TIG. Penggunaan shot peening juga dapat meningkatkan dampak perbaikan fusi TIG.

4. Teknologi terbaru untuk meningkatkan kekuatan fatik sambungan las

4.1 Metode perawatan dampak ultrasonik

Dalam beberapa tahun terakhir, tumbukan ultrasonik telah dikembangkan sebagai sarana untuk meningkatkan kekuatan fatik sambungan dan struktur yang dilas. Mekanismenya mirip dengan palu dan shot peening.

Namun, dampak ultrasonik memiliki keunggulan seperti ringan, kontrol yang baik, penggunaan yang fleksibel dan nyaman, kebisingan minimal, efisiensi tinggi, lebih sedikit batasan dalam aplikasi, biaya rendah, dan efisiensi energi. Sangat cocok untuk semua jenis sambungan dan merupakan metode yang efektif untuk meningkatkan kinerja kelelahan sambungan las setelah pengelasan.

Studi dilakukan dengan menggunakan perlakuan impak ultrasonik pada sambungan butt joint dan sambungan sudut longitudinal non-bantalan dari berbagai jenis baja struktural yang dilas. Uji fatik komparatif kemudian dilakukan pada sambungan yang dilas dan yang diberi perlakuan tumbukan. Hasilnya, yang ditunjukkan pada Tabel 2, menunjukkan bahwa kekuatan fatik sambungan las meningkat sebesar 50-170% setelah perlakuan tumbukan ultrasonik.

Tabel 2 Perbandingan kekuatan fatik sebelum dan sesudah perawatan impak ultrasonik

4.2 Metode strip pengelasan titik perubahan fasa rendah

4.2.1 PPrinsip dan pengembangan untuk meningkatkan kekuatan fatik sambungan las

Tegangan tekan dapat meningkatkan kekuatan fatik sambungan las, yang telah dibahas secara luas dalam literatur. Namun, tantangannya terletak pada bagaimana cara memasukkan tegangan tekan dengan mudah ke dalam sambungan las.

Telah diketahui bahwa komposisi kimia, kandungan paduan, dan laju pendinginan dapat menghasilkan perubahan mikrostruktur yang berbeda selama proses pendinginan material besi dan baja. Transformasi struktural ini disertai dengan ekspansi volume, yang dapat menciptakan tegangan transformasi fasa ketika ditahan, yang menyebabkan tegangan tekan.

Untuk logam las, hal ini mengurangi tegangan tarik sisa dan bahkan menghasilkan tegangan tekan sisa, sehingga meningkatkan sifat mekanis sambungan las.

Elektroda Pengelasan Suhu Transformasi Rendah (LTTE) adalah hal baru bahan las yang memanfaatkan tegangan transformasi fasa untuk menghasilkan tegangan tekan pada sambungan las dan meningkatkan kekuatan fatiknya.

Sejak tahun 1960-an, para ahli pengelasan di bekas Uni Soviet mengusulkan metode transformasi fase rendah pengelasan spot strip untuk meningkatkan kekuatan fatik struktur yang dilas, meskipun istilah "strip pengelasan titik transformasi fase rendah" tidak digunakan pada saat itu dan hanya disebut sebagai elektroda khusus.

Permukaan komposisi logam terutama terdiri dari 3-4% Mn untuk mengurangi suhu transformasi fasa dan mencapai transformasi fasa metalurgi. Literatur menunjukkan bahwa kekuatan fatik spesimen kecil setelah permukaan dengan elektroda khusus ini adalah 75% lebih tinggi daripada tanpa permukaan.

Baru-baru ini, pengembangan baja karbon sangat rendah dan penggunaan Cr dan Ni untuk menurunkan suhu transformasi martensit dari logam yang diendapkan pada material pengelasan telah menyebabkan kemajuan pesat dalam strip pengelasan titik transformasi rendah.

Baik Jepang maupun Cina telah melakukan penelitian ekstensif di bidang ini, meskipun masih dalam tahap laboratorium.

4.2.2 EPengaruh elektroda LTTE dalam meningkatkan kekuatan fatik

School of Materials di Tianjin University telah merancang dan mengoptimalkan Low Transformation Temperature Welding Electrode (LTTE) dan melakukan uji fatik yang ekstensif serta uji kinerja proses pada berbagai sambungan las.

(1) Metode LTTE

Elektroda Pengelasan Suhu Transformasi Rendah (LTTE) dan elektroda biasa E5015 digunakan untuk mengelas sambungan pantat melintang, sambungan silang bantalan non-beban, sambungan fillet melingkar memanjang, paralel memanjang sambungan las filletdan sambungan pantat memanjang, masing-masing. Uji komparatif kelelahan telah dilakukan.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa kekuatan fatik sambungan LTTE pada titik perubahan fasa batang las adalah 11%, 23%, 42%, 46%, dan 59% lebih tinggi daripada elektroda biasa E5015. Umur kelelahan ditingkatkan dari beberapa kali menjadi ratusan kali.

Tabel 3 Efek peningkatan kekuatan fatik dari berbagai jenis sambungan las

Karena Elektroda Las Suhu Transformasi Rendah (LTTE) menciptakan tegangan tekan sisa dari perluasan volume transformasi martensit pada suhu yang lebih rendah, besarnya tegangan tekan sisa terkait erat dengan pengekangan sambungan las.

Semakin terkendali sambungan las, semakin besar tegangan tekan sisa dan semakin signifikan peningkatan kekuatan fatiknya.

(2) Metode pembalutan LTTE untuk pengelasan titik transformasi fase rendah

Namun, menambahkan lebih banyak elemen paduan ke material las untuk mencapai transformasi martensit pada laju pendinginan normal dan suhu rendah secara signifikan meningkatkan biaya Elektroda Las Suhu Transformasi Rendah (LTTE). Jika semua pengelasan pada struktur yang dilas dibuat dengan material las perubahan fasa rendah, maka biaya keseluruhan struktur juga akan jauh lebih tinggi, sehingga tidak layak secara ekonomis.

Telah diketahui bahwa fraktur kelelahan pada sambungan las biasanya terjadi pada ujung las. Jika tegangan tekan sisa dihasilkan pada ujung las, kekuatan fatik sambungan las dapat ditingkatkan tanpa menggunakan semua strip las titik perubahan fasa rendah, sehingga mengurangi biaya material.

Dengan pemikiran ini, Universitas Tianjin mengusulkan metode toe dressing Low Transformation Temperature Welding Electrode (LTTE) untuk meningkatkan kekuatan fatik sambungan las, berdasarkan hasil eksperimen. Kekuatan fatik sambungan las elektroda LTTE dan elektroda biasa dibandingkan dengan menggunakan dua jenis sambungan las sambungan silang tanpa beban dan sambungan las fillet melingkar memanjang. Kekuatan fatik sambungan las yang pertama adalah 19,9% dan 41,7% lebih tinggi daripada sambungan las biasa, yang membuktikan kelayakan dan kepraktisan ide tersebut.

Penelitian awal ini memberikan aplikasi yang lebih masuk akal dari Low Transformation Temperature Welding Electrode (LTTE) dalam praktik teknik.

Pada saat yang sama, sambungan pembalut ujung kaki dari Elektroda Las Suhu Transformasi Rendah (LTTE) juga dapat merefleksikan aplikasinya pada las penutup dan manik-manik las penutup ujung kaki.

4.2.3 Akeuntungan dan kerugian dari strip pengelasan titik perubahan fase rendah

Keuntungan:

(1) Metode Elektroda Las Suhu Transformasi Rendah (LTTE) dilakukan selama proses pengelasan, sehingga tidak memerlukan pemrosesan pasca-pengelasan.

(2) Metode LTTE tidak memerlukan keahlian pengoperasian khusus, sehingga mudah dan nyaman digunakan.

(3) Dengan menggunakan Elektroda Las Suhu Transformasi Rendah (LTTE), kekuatan fatik sambungan las dapat ditingkatkan. Karena tidak terpengaruh oleh efek termal dari manik-manik las berikutnya, maka sangat cocok untuk meningkatkan kekuatan fatik pada las tersembunyi, las tertutup, las belakang las satu sisi, dan las lainnya yang tidak dapat diproses setelah pengelasan.

(4) Elektroda LTTE juga dapat digunakan untuk memperbaiki retakan fatik pada struktur yang dilas.

Kekurangan:

Menambahkan lebih banyak elemen paduan pada material pengelasan akan meningkatkan biaya material Elektroda Las Suhu Transformasi Rendah (LTTE), tetapi hal ini dapat diimbangi dengan menggunakan balutan LTTE dan metode lainnya.

5. Kesimpulan

Kesimpulannya, persyaratan kapasitas penahan beban dinamis untuk struktur las semakin meningkat karena digunakan untuk beban berkecepatan tinggi dan berat. Oleh karena itu, pengembangan dan pemanfaatan teknologi baru untuk meningkatkan kinerja fatik sambungan las sangat penting untuk aplikasi struktur las yang lebih luas.

Baik teknologi dampak ultrasonik maupun penggunaan Elektroda Las Suhu Transformasi Rendah (LTTE) untuk meningkatkan kekuatan fatik sambungan las merupakan arah penelitian yang penting di bidang peningkatan kinerja fatik dan proses struktur las.