Pengelasan Forge: Prinsip, Proses & Aplikasi dalam Penyambungan Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Pengelasan tempa adalah proses penyambungan metalurgi tradisional yang melibatkan pengikatan permanen dari dua atau lebih komponen baja melalui pemanasan lokal dan tekanan mekanis. Proses ini ditandai dengan pemanasan benda kerja hingga keadaan plastik dan dapat dibentuk—biasanya sedikit di bawah titik lebur mereka—dan kemudian menerapkan gaya untuk menyatukan bagian-bagian tersebut, menghasilkan ikatan metalurgi di antarmuka.

Secara fundamental, pengelasan tempa bergantung pada prinsip-prinsip pengikatan difusi dan deformasi plastik. Ketika dipanaskan hingga suhu yang sesuai, oksida permukaan dan kotoran akan berkurang atau terurai, memungkinkan difusi atom di seluruh antarmuka. Tekanan mekanis memfasilitasi kontak yang intim, mendorong pengikatan atom dan menghilangkan kekosongan atau celah. Proses ini menghasilkan sambungan yang, setelah mendingin, menunjukkan kontinuitas metalurgi dengan bahan dasar, sering kali dengan mikrostruktur yang mirip dengan logam induk.

Dalam klasifikasi yang lebih luas dari metode penyambungan baja, pengelasan tempa dikategorikan sebagai proses pengelasan keadaan padat. Berbeda dengan teknik pengelasan peleburan, proses ini tidak melibatkan pencairan bahan dasar tetapi bergantung pada deformasi plastik dan difusi pada suhu tinggi. Secara historis, pengelasan tempa adalah metode utama untuk menciptakan struktur baja besar atau kompleks sebelum munculnya teknik pengelasan busur dan tahanan modern. Saat ini, proses ini masih digunakan dalam aplikasi khusus, seperti pandai besi, pembuatan alat, dan fabrikasi komponen berkekuatan tinggi tertentu.

Fundamental Proses dan Mekanisme

Prinsip Kerja

Inti dari pengelasan tempa beroperasi melalui penerapan panas dan tekanan untuk memfasilitasi difusi atom dan pengikatan metalurgi. Proses ini dimulai dengan memanaskan komponen baja di dalam tungku atau oven hingga suhu yang biasanya antara 1.300°C dan 1.600°C, tergantung pada jenis baja. Rentang suhu ini memastikan baja mencapai keadaan plastik di mana oksida permukaan menjadi lunak atau berkurang, dan material menjadi dapat dibentuk.

Sumber energi terutama bersifat termal, disuplai melalui pembakaran langsung di dalam tungku, oven gas atau listrik, atau sistem pemanasan induksi. Panas harus didistribusikan secara merata untuk mencegah deformasi yang tidak merata atau pemanasan lokal yang berlebihan. Setelah benda kerja mencapai suhu yang diinginkan, gaya mekanis—yang diterapkan melalui pemukulan, penekanan, atau cetakan tempa—diberikan untuk menyatukan bagian-bagian tersebut.

Selama proses penempaan, lapisan permukaan mengalami deformasi plastik, menyebabkan asperitas dan ketidakteraturan permukaan menjadi datar dan saling mengunci. Secara bersamaan, suhu yang tinggi mempercepat difusi atom di seluruh antarmuka, mendorong pengikatan metalurgi. Efek gabungan dari deformasi dan difusi menghasilkan sambungan yang secara metalurgi kontinu dan secara mekanis kuat.

Dinamika Pembentukan Sambungan

Di tingkat mikrostruktur, pengelasan tempa melibatkan pembentukan ikatan metalurgi melalui gangguan dan penghilangan oksida permukaan, yang merupakan penghalang bagi difusi atom. Ketika permukaan yang dipanaskan ditekan bersama, film oksida akan pecah, dan permukaan logam yang segar akan bersentuhan. Suhu tinggi meningkatkan mobilitas atom, memungkinkan atom dari satu permukaan untuk berdifusi ke permukaan lainnya, menciptakan zona difusi.

Pembentukan sambungan dimulai dengan penguncian mekanis dari asperitas permukaan, yang diratakan di bawah tekanan. Seiring dengan kemajuan difusi, zona transisi berkembang di mana mikrostruktur secara bertahap berubah dari bahan dasar ke antarmuka las. Pola pembekuan pada dasarnya bersifat instan karena proses ini tidak melibatkan pencairan; sebaliknya, antarmuka menjadi wilayah pencampuran atom dan pengikatan metalurgi.

Dari sudut pandang termodinamika, proses ini didorong oleh pengurangan energi permukaan dan minimisasi energi bebas antarmuka. Secara kinetik, laju difusi dan deformasi tergantung pada suhu, tekanan, dan waktu. Pengendalian yang tepat dari parameter-parameter ini memastikan sambungan yang kuat dan bebas cacat dengan stres residual minimal.

Varian Proses

Pengelasan tempa telah berkembang menjadi beberapa varian, masing-masing disesuaikan untuk aplikasi dan kemampuan teknologi tertentu:

• Pengelasan Tempa Pandai Besi: Metode manual tradisional yang melibatkan pemanasan di dalam tungku batubara atau gas, diikuti dengan pemukulan di atas landasan. Ini terutama digunakan untuk pekerjaan skala kecil atau kerajinan.

• Pengelasan Tempa Industri: Menggunakan peralatan mekanis seperti press hidrolik atau palu tempa, dengan lingkungan pemanasan yang terkontrol. Ini memungkinkan untuk komponen yang lebih besar dan pengulangan yang lebih tinggi.

• Pengelasan Flash: Bentuk khusus di mana busur listrik arus tinggi dihasilkan di seluruh sambungan, menyebabkan pencairan lokal dan pengeluaran material berlebih (flash). Proses ini kemudian menerapkan tekanan tempa untuk mengkonsolidasikan sambungan.

• Pengelasan Press Tempa: Menggunakan press hidrolik atau mekanis untuk menerapkan tekanan yang merata selama pemanasan, sering kali dikombinasikan dengan pemanasan induksi atau oven.

Perkembangan teknologi telah mengalihkan pengelasan tempa dari pandai besi manual ke proses industri yang sangat terkontrol, menggabungkan otomatisasi, kontrol suhu yang tepat, dan alat yang canggih. Varian modern sering mengintegrasikan pemanasan awal, oven atmosfer terkontrol, dan siklus tempa yang dapat diprogram untuk mengoptimalkan kualitas sambungan dan produktivitas.

Peralatan dan Parameter Proses

Komponen Peralatan Utama

Pengelasan tempa memerlukan peralatan khusus yang dirancang untuk menghasilkan, mengontrol, dan menerapkan panas dan tekanan:

• Oven atau Tungku: Menyediakan pemanasan yang merata hingga suhu yang diinginkan. Jenisnya termasuk oven berbahan bakar gas, listrik, atau induksi, sering kali dilengkapi dengan sistem kontrol suhu dan atmosfer pelindung untuk mencegah oksidasi.

• Kamar Pemanasan: Menampung benda kerja selama pemanasan awal, memastikan distribusi suhu yang konsisten dan meminimalkan kehilangan panas.

• Press atau Palu Tempa: Menerapkan gaya mekanis untuk menyatukan bagian-bagian yang dipanaskan. Press hidrolik menawarkan kontrol gaya yang tepat, sementara palu mekanis memberikan energi dampak yang tinggi.

• Set Cetakan dan Fixture: Digunakan untuk memegang komponen dalam posisi dan bentuk yang benar selama proses penempaan, terutama dalam aplikasi industri.

• Perangkat Pemantauan Suhu: Termokopel, pyrometer, atau sensor inframerah memastikan pengukuran dan kontrol suhu yang akurat.

• Sistem Otomasi dan Kontrol: Pengaturan pengelasan tempa modern mengintegrasikan pengontrol logika yang dapat diprogram (PLC), sensor, dan loop umpan balik untuk otomatisasi proses, memastikan pengulangan dan kualitas.

Sumber Daya dan Sistem Pengiriman

Input energi untuk pengelasan tempa terutama bersifat termal, disuplai melalui gas pembakaran, tahanan listrik, atau pemanasan induksi. Sistem kontrol mengatur pengiriman daya untuk mempertahankan suhu target dalam toleransi yang ketat.

• Sistem Pembakaran: Pembakar gas atau api batubara menghasilkan panas dalam pengelasan pandai besi tradisional atau operasi skala kecil.

• Pemanasan Tahanan Listrik: Menggunakan arus listrik yang mengalir melalui elemen resistif untuk menghasilkan panas yang merata, cocok untuk kontrol suhu yang tepat.

• Pemanasan Induksi: Menggunakan induksi elektromagnetik untuk memanaskan benda kerja dengan cepat, menawarkan efisiensi tinggi dan kemampuan pemanasan lokal.

Sistem perlindungan mencakup interlock keselamatan, pemutus darurat, dan ventilasi untuk menangani gas pembakaran dan mencegah bahaya. Sistem pendingin dan isolasi termal