Kelayakan Las: Properti Material Kritis untuk Keberhasilan Penyambungan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Weldability mengacu pada kapasitas suatu material untuk dilas dalam kondisi fabrikasi menjadi struktur tertentu yang dirancang dengan baik dan berfungsi memuaskan dalam layanan yang dimaksudkan. Ini mewakili kemampuan material untuk menjalani pengelasan fusi tanpa mengembangkan karakteristik metalurgi atau mekanik yang merugikan yang mengompromikan integritas sambungan las.

Properti ini sangat mendasar dalam industri manufaktur dan konstruksi di mana penyambungan komponen logam diperlukan. Weldability menentukan apakah suatu material dapat dilas dengan sukses menggunakan teknik konvensional sambil mempertahankan sifat mekanik yang diinginkan dan integritas struktural di seluruh zona yang terpengaruh panas (HAZ).

Dalam metalurgi, weldability berdiri sebagai properti kompleks yang menjembatani komposisi material, mikrostruktur, dan parameter pemrosesan. Ini bukanlah properti material intrinsik tetapi lebih merupakan respons sistem yang bergantung pada interaksi antara material dasar, logam pengisi, proses pengelasan, dan kondisi layanan dari struktur akhir.

Sifat Fisik dan Dasar Teoretis

Mekanisme Fisik

Di tingkat mikrostruktur, weldability diatur oleh respons material terhadap siklus termal cepat selama pengelasan. Siklus ini melibatkan pelelehan lokal, pembekuan cepat, dan transformasi keadaan padat yang mengubah mikrostruktur di dalam dan sekitar las.

Pembentukan fase rapuh, presipitasi karbida di batas butir, segregasi kotoran, dan pengembangan tegangan sisa semua terjadi pada skala atom dan kristalografi. Fenomena mikroskopis ini secara kolektif menentukan apakah suatu material akan membentuk las yang baik atau mengembangkan cacat seperti retak, porositas, atau kerapuhan.

Difusi hidrogen, karbon, dan elemen lainnya selama siklus termal pengelasan memainkan peran penting dalam menentukan kerentanan terhadap retak dingin, salah satu masalah weldability yang paling umum pada baja.

Model Teoretis

Konsep karbon ekuivalen (CE) mewakili model teoretis utama untuk memprediksi weldability baja. Model ini mengkuantifikasi efek gabungan dari berbagai elemen paduan pada kemampuan pengerasan dan kerentanan terhadap retak yang diinduksi hidrogen.

Pemahaman tentang weldability berkembang secara signifikan dari tahun 1940-an hingga 1960-an ketika para peneliti menetapkan korelasi antara komposisi kimia dan kerentanan terhadap retak. Pendekatan empiris awal telah memberi jalan kepada model yang lebih canggih yang menggabungkan sejarah termal, kinetika difusi, dan teori transformasi fase.

Pendekatan modern mencakup termodinamika komputasional (CALPHAD), pemodelan elemen hingga dari tegangan termal, dan model kinetik difusi hidrogen yang memberikan prediksi yang lebih komprehensif daripada rumus karbon ekuivalen tradisional saja.

Dasar Ilmu Material

Weldability sangat terkait dengan struktur kristal material, dengan struktur kubik berpusat badan (BCC) pada baja feritik umumnya menunjukkan karakteristik weldability yang berbeda dibandingkan dengan struktur kubik berpusat muka (FCC) pada baja austenitik. Batas butir berfungsi sebagai situs preferensial untuk inisiasi dan propagasi retak selama pengelasan.

Mikrostruktur material—termasuk ukuran butir, distribusi fase, dan keberadaan presipitat—secara langsung mempengaruhi responsnya terhadap siklus termal pengelasan. Struktur dengan butir kasar biasanya menunjukkan weldability yang lebih buruk dibandingkan dengan yang halus karena ketangguhan yang berkurang dan peningkatan kerentanan terhadap retak.

Prinsip dasar seperti stabilitas fase, kinetika difusi, dan transformasi keadaan padat membentuk dasar ilmiah untuk memahami weldability. Kemampuan material untuk mengakomodasi regangan selama pendinginan dan ketahanannya terhadap pembentukan retak terhubung langsung dengan prinsip-prinsip ini.

Ekspresi Matematis dan Metode Perhitungan

Rumus Definisi Dasar

Rumus karbon ekuivalen (CE) dari International Institute of Welding (IIW) adalah:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{(Cr + Mo + V)}{5} + \frac{(Ni + Cu)}{15}$$

Di mana C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, dan Cu mewakili persentase berat dari elemen-elemen ini dalam komposisi baja. Nilai CE yang lebih tinggi menunjukkan weldability yang berkurang dan peningkatan risiko retak hidrogen.

Rumus Perhitungan Terkait

Rumus Pcm (Parameter pengukuran retak), yang dikembangkan untuk baja karbon rendah:

$$Pcm = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn}{20} + \frac{Cu}{20} + \frac{Ni}{60} + \frac{Cr}{20} + \frac{Mo}{15} + \frac{V}{10} + 5B$$

Kecepatan pendinginan kritis untuk menghindari pembentukan martensit dapat diperkirakan dengan:

$$log(CR) = a - b \cdot CE$$

Di mana CR adalah laju pendinginan dalam °C/s, dan a dan b adalah konstanta yang bergantung pada mikrostruktur yang diinginkan dan ambang kekerasan.

Kondisi dan Batasan yang Berlaku

Rumus karbon ekuivalen paling valid untuk baja karbon dan baja paduan rendah dengan kandungan karbon di bawah 0,22%. Untuk baja dengan kandungan karbon lebih tinggi atau baja yang sangat paduan, rumus ini menjadi prediktor weldability yang kurang dapat diandalkan.

Model-model ini mengasumsikan proses pengelasan busur konvensional dan mungkin tidak memprediksi perilaku dengan akurat dalam proses dengan kepadatan energi tinggi seperti pengelasan laser atau sinar elektron. Rumus ini juga tidak memperhitungkan inklusi non-logam atau elemen jejak yang dapat berdampak signifikan pada weldability.

Kebanyakan perhitungan weldability mengasumsikan permukaan baja yang bersih dan desain sambungan standar. Kontaminasi, geometri yang kompleks, atau kondisi pengekangan yang tidak biasa dapat membatalkan prediksi berdasarkan rumus ini.

Metode Pengukuran dan Karakterisasi

Spesifikasi Pengujian Standar

Seri ISO 17642 menetapkan metode untuk pengujian retak dingin untuk baja yang dapat dilas, dengan bagian 1-3 mencakup konfigurasi pengujian dan metode evaluasi yang berbeda.

ASTM A1038 menyediakan metode pengujian standar untuk mengevaluasi kerentanan baja terhadap retak yang diinduksi hidrogen.

AWS B4.0 merinci metode standar untuk pengujian mekanis las, termasuk prosedur yang relevan untuk penilaian weldability.

JIS Z 3158 menetapkan metode untuk pengujian retak las y-groove yang umum digunakan di Jepang untuk mengevaluasi weldability.

Peralatan dan Prinsip Pengujian

Uji Tekken (uji retak pengekangan Y-groove) menggunakan fixture yang dirancang khusus untuk menciptakan kondisi pengekangan tinggi yang mensimulasikan situasi pengelasan yang parah. Retak yang berkembang setelah pengelasan menunjukkan weldability yang buruk.

Simulator termomekanik Gleeble mereproduksi siklus termal pengelasan yang tepat dalam spesimen kecil, memungkinkan studi terkontrol tentang perubahan mikrostruktur dan sifat mekanik di zona yang terpengaruh panas.

Pengujian implan melibatkan pengelasan di atas spesimen silinder yang terpotong yang dimasukkan ke dalam pelat, kemudian memuatnya untuk menentukan tegangan kritis di bawah mana retak hidrogen tidak terjadi.

Persyaratan Sampel

Pelat uji Tekken standar biasanya berukuran 200 × 75 × 10 mm dengan persiapan Y-groove tertentu untuk menciptakan kondisi pengekangan yang terkontrol.

Persiapan permukaan memerlukan pembersihan menyeluruh untuk menghilangkan kontaminan, skala pabrik, dan oksida yang dapat mempengaruhi hasil pengujian. Penghilangan minyak dengan aseton atau pelarut serupa adalah praktik standar.

Spesimen harus memiliki komposisi dan mikrostruktur yang representatif dari material yang dievaluasi. Riwayat perlakuan panas sebelumnya harus didokumentasikan karena mempengaruhi hasil pengujian weldability.

Parameter Uji

Kebanyakan pengujian