Zona Terpengaruh Panas dalam Pengelasan Baja: Prinsip, Efek & Aplikasi

Definisi dan Konsep Dasar

Heat-Affected Zone (HAZ) mengacu pada daerah logam dasar yang berdekatan dengan area las atau sambungan yang mengalami perubahan mikrostruktur dan metalurgi akibat siklus termal dari proses pengelasan atau penyambungan termal. Daerah ini tidak meleleh selama pengelasan tetapi mengalami siklus termal yang mengubah mikrostrukturnya, sifat mekanik, dan keadaan stres residu.

Pada dasarnya, HAZ terbentuk ketika input panas yang terlokalisasi menyebabkan transformasi fase, pertumbuhan butir, atau efek tempering pada baja, tanpa mencapai titik lelehnya. Transformasi ini tergantung pada profil termal, komposisi baja, dan laju pendinginan. Karakteristik HAZ secara signifikan mempengaruhi integritas keseluruhan, kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan korosi dari sambungan las.

Dalam klasifikasi yang lebih luas dari metode penyambungan baja, HAZ adalah pertimbangan kritis dalam proses pengelasan fusi seperti pengelasan busur, pengelasan gas, pengelasan laser, dan pengelasan sinar elektron. Ini membedakan sambungan las dari metode lain seperti pengencangan mekanis atau pengikatan adhesif, menekankan pentingnya efek termal pada material dasar.

Dasar-Dasar Proses dan Mekanisme

Prinsip Kerja

Mekanisme fisik inti di balik pembentukan HAZ melibatkan pemanasan terlokalisasi dari substrat baja oleh sumber energi—seperti busur listrik, sinar laser, atau sinar elektron—diikuti oleh pendinginan. Input panas menyebabkan peningkatan suhu pada logam dasar, yang mengarah pada transformasi fase, pertumbuhan butir, dan pengembangan stres residu.

Sumber energi bervariasi: pengelasan busur menggunakan busur listrik antara elektroda yang dapat digunakan atau tidak dapat digunakan; pengelasan laser menggunakan sinar laser terkonsentrasi; pengelasan sinar elektron memanfaatkan sinar elektron berenergi tinggi dalam lingkungan vakum. Sumber-sumber ini menghasilkan panas terlokalisasi yang intens, yang menyebar ke dalam material, menciptakan gradien termal.

Penyebaran panas diatur oleh konduksi, konveksi, dan radiasi. Zona yang terpengaruh panas terbentuk saat gelombang termal menyebar ke dalam material dasar, dengan suhu puncak biasanya di bawah titik leleh tetapi cukup tinggi untuk menginduksi perubahan mikrostruktur. Laju pendinginan, yang dipengaruhi oleh heat sink dan parameter proses, menentukan evolusi mikrostruktur dalam HAZ.

Urutan transformasi material dimulai dengan pemanasan logam dasar, yang mengarah pada austenitisasi pada baja dengan kandungan karbon yang cukup, diikuti oleh transformasi yang diinduksi pendinginan seperti pembentukan martensit, bainit, atau mikrostruktur yang ditempa, tergantung pada paduan dan kondisi pendinginan.

Dinamika Pembentukan Sambungan

Di tingkat mikrostruktur, pembentukan sambungan melibatkan transformasi mikrostruktur asli baja menjadi fase baru dalam HAZ. Proses ini dimulai dengan siklus termal yang meningkatkan suhu di atas titik transformasi kritis, menyebabkan pertumbuhan butir dan perubahan fase.

Ketika material mendingin, transformasi fase terjadi, memadatkan mikrostruktur. Misalnya, pada baja karbon, HAZ dapat mengembangkan campuran ferit butir kasar, perlit, bainit, atau martensit, tergantung pada laju pendinginan. Batas antara logam dasar yang tidak terpengaruh dan HAZ dicirikan oleh gradien fitur mikrostruktur.

Mekanisme pengikatan metalurgi mencakup difusi atom, transformasi fase keadaan padat, dan penguncian mekanis pada tingkat mikro. Gaya pendorong termodinamika untuk perubahan fase tergantung pada suhu dan komposisi paduan, sementara kinetika dipengaruhi oleh laju pendinginan dan gradien termal.

Aspek termodinamika melibatkan perbedaan energi bebas antara fase, yang menentukan mikrostruktur mana yang terbentuk selama pendinginan. Kinetika mengatur laju di mana transformasi terjadi, mempengaruhi ukuran butir dan distribusi fase. Pendinginan cepat cenderung menghasilkan mikrostruktur yang lebih keras dan lebih rapuh seperti martensit, sedangkan pendinginan lambat lebih disukai untuk fase yang lebih lunak dan ulet.

Varian Proses

Varian utama dari pembentukan zona yang terpengaruh panas dibedakan oleh proses pengelasan dan parameter:

• Fusion Welding HAZ: Dibentuk selama pengelasan busur, laser, atau sinar elektron, dicirikan oleh pencairan terlokalisasi dan pembekuan cepat. HAZ dalam hal ini mencakup zona fusi dan daerah yang terpengaruh panas yang berdekatan.

• Resistance Welding HAZ: Terjadi selama pengelasan titik atau sambungan, di mana pemanasan resistansi terlokalisasi menyebabkan perubahan mikrostruktur pada logam dasar di sekitarnya.

• Thermal Cutting and Brazing HAZ: Melibatkan pemanasan terlokalisasi tanpa melelehkan logam dasar, yang mengarah pada modifikasi mikrostruktur yang mirip dengan pengelasan tetapi dengan profil input panas yang berbeda.

Perkembangan teknologi telah membawa dari pengelasan busur logam terlindung (SMAW) manual ke pengelasan laser dan sinar elektron otomatis berenergi tinggi, memungkinkan kontrol yang tepat atas input panas dan karakteristik HAZ. Kemajuan dalam kontrol proses, seperti pengelasan pulsa dan pendinginan terkontrol, telah meningkatkan keseragaman mikrostruktur dan sifat mekanik HAZ.

Peralatan dan Parameter Proses

Komponen Peralatan Utama

Peralatan utama untuk proses pengelasan yang menghasilkan HAZ meliputi:

• Power Supply Units: Menyediakan energi listrik yang terkontrol untuk pembangkitan busur, laser, atau sinar elektron. Sistem modern dilengkapi dengan kontrol digital untuk pengiriman energi yang tepat.

• Welding Torches or Heads: Mengandung elektroda, nosel, atau komponen optik untuk mengarahkan energi. Untuk pengelasan busur, elektroda yang dapat digunakan atau tidak dapat digunakan digunakan; sistem laser dan sinar elektron mencakup optik fokus dan ruang vakum.

• Cooling and Shielding Systems: Perlindungan gas (misalnya, argon, CO₂) melindungi kolam las dari kontaminasi atmosfer. Sistem pendinginan air atau udara mengelola dissipasi panas di beberapa peralatan.

• Automation and Control Modules: Sistem CNC atau robotik memungkinkan pergerakan yang tepat, regulasi input panas, dan pemantauan proses. Antarmuka operator mencakup layar sentuh, menu pengaturan parameter, dan sistem umpan balik waktu nyata.

Sumber Daya dan Sistem Pengiriman

Proses pengelasan memanfaatkan berbagai sumber daya:

• AC/DC Power Supplies: Menyediakan arus dan tegangan stabil untuk pengelasan busur; DC lebih disukai untuk stabilitas dan kontrol.

• Laser and Electron Beam Power: Diode laser berenergi tinggi atau laser keadaan padat, dan pistol elektron yang diberdayakan oleh sumber tegangan tinggi, mengirimkan energi terkonsentrasi.

Mekanisme kontrol mencakup modulasi pulsa, regulasi arus dan tegangan, dan loop umpan balik untuk mempertahankan input panas yang konsisten. Fitur keselamatan mencakup perlindungan sirkuit, interlock, dan sistem pemadaman darurat.

Sistem perlindungan mencakup regulator aliran gas, ekstraksi asap, dan penutup pelindung untuk mencegah paparan operator dan kontaminasi lingkungan.

Parameter Proses Kritis

Parameter kunci yang dapat dikendalikan yang mempengaruhi HAZ meliputi:

• Heat Input: Didefinisikan sebagai energi per unit panjang (misalnya, J/mm). Input panas yang berlebihan memperbesar HAZ dan dapat menyebabkan perubahan mikrostruktur yang tidak diinginkan.

• Travel Speed: Pengelasan yang lebih cepat mengurangi input panas dan ukuran HAZ; kecepatan yang lebih lambat meningkatkan akumulasi panas.

• Preheat and Interpass Temperatures: Preheat yang lebih tinggi meminimalkan gradien termal, mengurangi stres residu dan kerentanan terhadap retak.