Drawn-Over-Mandrel: Proses Pembentukan Pipa Presisi & Aplikasi

Definisi dan Konsep Dasar

Drawn-Over-Mandrel (DOM) mengacu pada proses manufaktur presisi yang digunakan untuk memproduksi pipa baja tanpa sambungan dengan akurasi dimensi, penyelesaian permukaan, dan sifat mekanik yang superior. Proses ini melibatkan penarikan pipa yang dilas di atas mandrel untuk menciptakan penampilan tanpa sambungan dan ketebalan dinding yang konsisten di sepanjang panjang pipa.

Pipa DOM merupakan kemajuan penting dalam produk baja tubular, menawarkan rasio kekuatan-terhadap-berat yang lebih baik dan konsistensi dimensi dibandingkan dengan pipa las konvensional. Proses ini menghilangkan sambungan las sebagai titik kegagalan potensial sambil meningkatkan integritas struktural keseluruhan pipa.

Dalam bidang metalurgi yang lebih luas, pemrosesan DOM berdiri sebagai teknik manufaktur sekunder yang penting yang menjembatani kesenjangan antara produksi baja primer dan komponen presisi yang selesai. Ini menunjukkan bagaimana proses kerja mekanis dapat secara signifikan meningkatkan sifat material di luar apa yang dapat dicapai melalui komposisi kimia saja.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, pemrosesan DOM menyebabkan deformasi plastis yang signifikan pada pipa baja. Deformasi ini menyebabkan perpanjangan butir dalam arah penarikan dan menciptakan mikrostruktur berserat yang sejajar dengan sumbu longitudinal pipa.

Proses kerja dingin meningkatkan kerapatan dislokasi dalam struktur kristal, yang mengarah pada pengerasan regangan. Dislokasi ini saling berinteraksi dan terjerat, membatasi pergerakan lebih lanjut dan meningkatkan kekuatan hasil dan kekerasan material.

Mandrel menyediakan permukaan pembentukan internal yang presisi yang, dikombinasikan dengan die penarikan, mengenakan stres kompresif dan tarik yang terkontrol pada material. Keadaan stres ini memperhalus struktur butir dan menghilangkan kekosongan internal atau diskontinuitas yang ada dalam pipa las asli.

Model Teoretis

Model teoretis utama yang menggambarkan pemrosesan DOM didasarkan pada teori deformasi plastis, khususnya konsep stres aliran selama kerja dingin. Model ini menggabungkan efek pengerasan regangan dan memperhitungkan respons material terhadap keadaan stres yang kompleks.

Pemahaman historis tentang pemrosesan DOM berkembang dari pengetahuan empiris di lapangan pada awal abad ke-20 hingga model analisis elemen hingga yang canggih dalam manufaktur modern. Praktisi awal mengandalkan percobaan dan kesalahan, sementara pendekatan saat ini menggabungkan pemodelan matematis yang tepat.

Berbagai pendekatan teoretis termasuk model analitis yang disederhanakan berdasarkan metode analisis slab dan simulasi numerik yang lebih kompleks yang memperhitungkan sensitivitas laju regangan, efek suhu, dan anisotropi material. Pendekatan komputasi modern memberikan prediksi yang lebih akurat tetapi memerlukan data karakterisasi material yang luas.

Dasar Ilmu Material

Pemrosesan DOM secara langsung mempengaruhi struktur kristal dengan memperpanjang butir dan meningkatkan kerapatan batas butir dalam arah tertentu. Ini menciptakan sifat mekanik anisotropik dengan kekuatan yang ditingkatkan sepanjang sumbu longitudinal pipa.

Transformasi mikrostruktur selama penarikan mencakup pemurnian butir, pengembangan tekstur, dan transformasi fase yang diinduksi regangan pada beberapa jenis baja. Proses kerja dingin dapat sebagian mengubah austenit yang tertahan menjadi martensit pada baja paduan tertentu.

Proses ini menunjukkan prinsip dasar ilmu material termasuk pengerasan kerja, ambang rekrystallisasi, dan pengembangan tekstur. Hubungan antara pemrosesan, struktur, dan sifat membentuk paradigma klasik ilmu material yang jelas ditunjukkan oleh pemrosesan DOM.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Parameter dasar dalam pemrosesan DOM adalah rasio penarikan, yang didefinisikan sebagai:

$$r = \frac{A_0}{A_1}$$

Di mana:
- $r$ adalah rasio penarikan (tanpa dimensi)
- $A_0$ adalah luas penampang awal pipa sebelum penarikan
- $A_1$ adalah luas penampang akhir setelah penarikan

Rumus Perhitungan Terkait

Stres penarikan yang diperlukan untuk proses ini dapat dihitung menggunakan:

$$\sigma_d = \sigma_y \cdot (1 + \frac{2\mu}{\alpha} \cdot \ln{r})$$

Di mana:
- $\sigma_d$ adalah stres penarikan
- $\sigma_y$ adalah kekuatan hasil material
- $\mu$ adalah koefisien gesekan
- $\alpha$ adalah sudut die dalam radian
- $r$ adalah rasio penarikan

Pengerasan regangan yang dihasilkan dari proses ini dapat diperkirakan menggunakan:

$$\sigma = K\varepsilon^n$$

Di mana:
- $\sigma$ adalah stres aliran
- $K$ adalah koefisien kekuatan
- $\varepsilon$ adalah regangan sejati
- $n$ adalah eksponen pengerasan regangan

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus ini berlaku untuk operasi penarikan dingin di mana suhu material tetap di bawah suhu rekrystallisasi, biasanya di bawah 0.3Tm (suhu lebur dalam Kelvin).

Model-model ini mengasumsikan deformasi homogen dan tidak memperhitungkan efek lokal seperti penipisan atau pengembangan cacat internal. Mereka juga mengasumsikan kondisi gesekan yang konsisten sepanjang proses penarikan.

Kebanyakan model analitis mengasumsikan sifat material isotropik sebelum penarikan, yang mungkin tidak akurat untuk pipa yang telah diproses sebelumnya dengan tekstur yang ada. Selain itu, model-model ini biasanya mengabaikan sensitivitas laju regangan, yang menjadi signifikan pada kecepatan penarikan yang lebih tinggi.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

ASTM A513: Spesifikasi Standar untuk Pipa Mekanik Baja Karbon dan Paduan yang Dilas dengan Resistensi Listrik - Menyediakan persyaratan dan prosedur pengujian pipa DOM.

ASTM E8: Metode Uji Standar untuk Pengujian Tarik Material Logam - Menyediakan prosedur untuk menentukan sifat mekanik pipa DOM.

ISO 6892: Material Logam - Pengujian Tarik - Menentukan metode internasional untuk pengujian tarik yang berlaku untuk karakterisasi pipa DOM.

SAE J525: Pipa Baja Karbon Rendah yang Dilas dan Ditarik Dingin yang Dikenakan untuk Pembengkokan dan Pembentukan - Merinci persyaratan spesifik industri untuk aplikasi otomotif.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Mesin pengujian universal yang dilengkapi dengan pegangan khusus untuk spesimen tubular digunakan untuk pengujian tarik, kompresi, dan ledakan. Mesin ini menerapkan gaya atau perpindahan yang terkontrol sambil mengukur respons material.

Mikroskop optik dan mikroskop elektron pemindaian digunakan untuk analisis mikrostruktur, mengungkapkan ukuran butir, orientasi, dan distribusi fase. Persiapan sampel khusus termasuk pemotongan, pemasangan, penghalusan, dan etsa diperlukan.

Karakterisasi lanjutan dapat mencakup difraksi sinar-X untuk analisis tekstur, difraksi backscatter elektron (EBSD) untuk pemetaan orientasi butir, dan pemetaan kekerasan di seluruh penampang pipa untuk mengevaluasi keseragaman sifat.

Persyaratan Sampel

Sampel tarik standar dari pipa DOM biasanya mengikuti pedoman ASTM E8, dengan bagian tubular penuh atau sampel datar tergantung pada diameter pipa dan ketebalan dinding.

Persiapan permukaan memerlukan pemotongan yang hati-hati untuk menghindari pengenalan panas atau deformasi yang dapat mengubah mikrostruktur material. Sampel metalografi memerlukan penggilingan dan penghalusan bertahap untuk mencapai permukaan bebas goresan.

Sampel harus representatif dari material produksi dan diidentifikasi dengan benar terkait orientasi relatif terhadap sumbu pipa. Beberapa sampel dari lokasi yang berbeda mungkin diperlukan untuk menilai keseragaman sifat.

Parameter Uji

Pengujian standar biasanya dilakukan