Pengelasan Busur: Prinsip, Teknik & Aplikasi dalam Penyambungan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pengelasan busur adalah proses penyambungan logam yang mendasar yang memanfaatkan busur listrik untuk menghasilkan panas yang diperlukan untuk menyatukan komponen baja. Proses ini melibatkan pembentukan sambungan listrik antara elektroda dan benda kerja, menciptakan busur yang intens dan terlokalisasi yang melelehkan bahan dasar dan bahan pengisi (jika digunakan), membentuk ikatan metalurgi saat mengeras. Proses ini ditandai dengan kepadatan energi yang tinggi, memungkinkan pengelasan bagian baja yang tebal dan geometri yang kompleks.

Pada dasarnya, pengelasan busur beroperasi berdasarkan prinsip konduksi listrik, termodinamika, dan transformasi metalurgi. Busur listrik, yang dipertahankan antara elektroda dan benda kerja, menghasilkan suhu yang melebihi 3.000°C, cukup untuk melelehkan baja dan bahan pengisi. Proses ini bergantung pada parameter listrik yang terkontrol untuk mempertahankan busur yang stabil, memastikan input panas yang konsisten dan kualitas las.

Dalam klasifikasi yang lebih luas dari metode penyambungan baja, pengelasan busur dikategorikan sebagai teknik pengelasan fusi. Berbeda dengan pengikatan mekanis atau adhesif, pengelasan fusi melibatkan pelelehan bahan dasar untuk menciptakan sambungan metalurgi yang kontinu. Pengelasan busur mencakup berbagai subtipe, termasuk pengelasan busur logam terlindungi (SMAW), pengelasan busur logam gas (GMAW), dan pengelasan busur tungsten gas (GTAW), masing-masing dibedakan oleh sumber daya, jenis elektroda, dan metode perlindungan mereka.

Dasar-Dasar Proses dan Mekanisme

Prinsip Kerja

Pada intinya, pengelasan busur melibatkan pengaliran arus listrik melalui elektroda dan benda kerja, menghasilkan busur yang memberikan panas lokal yang intens. Energi listrik diubah menjadi energi termal melalui pemanasan resistif, terutama melalui efek Joule. Suhu tinggi dari busur menyebabkan permukaan baja meleleh, membentuk kolam cair yang, saat mendingin, mengeras menjadi ikatan metalurgi.

Sumber energi biasanya adalah unit daya arus searah (DC) atau arus bolak-balik (AC), yang memberikan tingkat arus dan tegangan yang terkontrol. Stabilitas busur tergantung pada parameter seperti intensitas arus, tegangan, sudut elektroda, dan kecepatan perjalanan. Gas pelindung atau pelapis fluks melindungi kolam las cair dari kontaminasi atmosfer, mencegah oksidasi dan memastikan integritas las.

Urutan transformasi material dimulai dengan inisiasi busur, diikuti oleh pelelehan logam dasar dan pengisi (jika digunakan). Saat kolam cair mendingin, pengendapan terjadi, yang mengarah pada pengikatan metalurgi. Proses ini melibatkan dinamika aliran panas yang kompleks, dengan konduksi panas ke dalam logam dasar dan konveksi dalam kolam cair, mempengaruhi mikrostruktur dan sifat mekanik dari las.

Dinamika Pembentukan Sambungan

Di tingkat mikrostruktur, pembentukan sambungan melibatkan penciptaan zona fusi (FZ) di mana logam dasar dan bahan pengisi (jika berlaku) telah meleleh dan mengeras. Logam cair mendingin dan mengeras dalam pola karakteristik, sering kali dipengaruhi oleh gradien termal dan laju pengendapan. Mikrostruktur yang dihasilkan biasanya terdiri dari struktur dendritik atau seluler, dengan fase seperti ferit, perlit, atau martensit tergantung pada kondisi pendinginan.

Pembentukan ikatan metalurgi terjadi melalui proses pengendapan dan difusi, yang mengarah pada antarmuka kontinu yang bebas dari rongga atau diskontinuitas. Aspek termodinamik melibatkan minimisasi energi bebas selama pengendapan, mendukung pembentukan fase dan struktur butir yang stabil. Faktor kinetik, seperti laju pendinginan dan input panas, mempengaruhi ukuran butir, distribusi fase, dan tegangan sisa.

Mekanisme utama termasuk siklus pelelehan dan pengendapan yang cepat, yang dapat menyebabkan heterogenitas mikrostruktur. Pengendalian input panas dan laju pendinginan yang tepat memastikan sifat yang diinginkan, seperti ketangguhan dan ketahanan korosi, di zona las.

Varian Proses

Pengelasan busur mencakup beberapa varian utama, masing-masing disesuaikan untuk aplikasi dan kebutuhan material tertentu:

• Pengelasan Busur Logam Terlindungi (SMAW): Menggunakan elektroda yang dapat digunakan habis yang dilapisi fluks, menghasilkan gas pelindung dan terak untuk melindungi kolam las. Ini portabel dan serbaguna, cocok untuk perbaikan lapangan dan bagian baja yang tebal.

• Pengelasan Busur Logam Gas (GMAW): Menggunakan elektroda kawat yang terus menerus diberi makan dan gas pelindung yang inert atau aktif, menawarkan laju deposisi tinggi dan potensi otomatisasi. Ini banyak digunakan dalam manufaktur dan konstruksi.

• Pengelasan Busur Tungsten Gas (GTAW): Menggunakan elektroda tungsten yang tidak dapat digunakan habis dengan bahan pengisi terpisah, memberikan kontrol yang tepat dan las berkualitas tinggi. Ini disukai untuk aplikasi kritis yang memerlukan cacat minimal.

• Pengelasan Busur Terendam (SAW): Memiliki elektroda yang dapat digunakan habis yang terus menerus diberi makan di bawah selimut fluks granular, memungkinkan laju deposisi tinggi untuk bagian tebal di lingkungan industri.

Perkembangan teknologi telah membawa dari proses manual berbasis stik ke sistem otomatis dan robotik, meningkatkan konsistensi, keselamatan, dan produktivitas. Kemajuan dalam sumber daya, sistem kontrol, dan bahan habis pakai terus memperbaiki kemampuan pengelasan busur.

Peralatan dan Parameter Proses

Komponen Peralatan Utama

Peralatan utama untuk pengelasan busur mencakup sumber daya, obor pengelasan atau pemegang elektroda, dan perangkat tambahan seperti pengumpan kawat atau sistem pengiriman gas. Sumber daya menyediakan parameter listrik yang diperlukan, dengan fitur seperti arus yang dapat disesuaikan, tegangan, dan kontrol stabilitas busur.

Obor pengelasan atau pemegang elektroda mengarahkan elektroda dan, dalam beberapa varian, menyediakan gas pelindung. Misalnya, dalam GMAW, pengumpan kawat dan nosel gas adalah komponen integral, memastikan pengiriman elektroda yang kontinu dan perlindungan yang tepat. Dalam GTAW, obor mencakup pemegang elektroda tungsten dengan kontrol yang tepat atas posisi elektroda.

Kemampuan otomatisasi diintegrasikan melalui sistem pengelasan robotik, pengontrol yang dapat diprogram, dan sensor yang memantau parameter seperti panjang busur, arus, dan suhu. Antarmuka operator mencakup panel kontrol, tampilan, dan opsi operasi jarak jauh, memfasilitasi optimasi proses.

Sumber Daya dan Sistem Pengiriman

Sumber daya pengelasan busur biasanya adalah unit transformator-rektifier, sistem berbasis inverter, atau generator yang digerakkan mesin, yang memberikan arus searah atau bolak-balik dengan parameter yang dapat disesuaikan. Sistem modern memiliki kontrol pulsa, modifikasi gelombang, dan antarmuka digital untuk pengiriman energi yang tepat.

Mekanisme kontrol mengatur arus dan tegangan untuk mempertahankan busur yang stabil, menyesuaikan secara real-time terhadap variasi dalam geometri benda kerja atau konsumsi elektroda. Fitur keselamatan mencakup perlindungan kelebihan beban, deteksi hubung singkat, dan sistem pemutus darurat.

Sistem perlindungan mencakup saluran pasokan gas pelindung, ekstraksi asap, dan perlindungan percikan busur. Penting untuk memastikan grounding dan isolasi yang tepat untuk mencegah bahaya listrik dan memastikan kualitas las yang konsisten.

Parameter Proses Kritis

Parameter yang dapat dikendalikan yang kunci meliputi:

• Arus: Biasanya berkisar antara 50 hingga 600 ampere, tergantung pada ketebalan material dan varian proses. Arus yang lebih tinggi meningkatkan input panas tetapi dapat menyebabkan distorsi yang berlebihan.

• Tegangan: Mempertahankan stabilitas busur; umumnya antara 15 dan 40 volt. Kontrol tegangan yang tepat mempengaruhi bentuk bead dan penetrasi.

• Kecepatan Perjalanan: Mempengaruhi input panas dan mikro