Las: Teknik Penggabungan Baja yang Penting untuk Fabrikasi & Konstruksi

Definisi dan Konsep Dasar

Pengelasan adalah proses penyambungan logam yang mendasar di mana dua atau lebih komponen baja disatukan secara permanen melalui pelelehan dan pembekuan yang terlokalisasi. Teknik ini menciptakan ikatan metalurgi yang memastikan integritas struktural dan transfer beban di seluruh sambungan. Pengelasan bergantung pada penerapan panas, tekanan, atau keduanya untuk mengatasi gaya kohesif dalam bahan, yang menghasilkan koneksi yang kontinu dan homogen.

Secara fundamental, pengelasan beroperasi berdasarkan prinsip termodinamika dan transformasi metalurgi. Ketika panas diterapkan pada baja, itu menyebabkan pelelehan terlokalisasi dari bahan dasar atau bahan pengisi, yang mengarah pada pembentukan kolam cair. Setelah mendingin, kolam ini membeku menjadi fase padat, menciptakan sambungan yang sering kali sekuat atau lebih kuat daripada logam dasar, tergantung pada pengendalian proses dan sifat material.

Dalam klasifikasi yang lebih luas dari metode penyambungan baja, pengelasan dibedakan oleh kemampuannya untuk menghasilkan sambungan permanen yang kuat tanpa memerlukan pengikat atau perekat tambahan. Ini mencakup berbagai teknik, termasuk pengelasan busur, pengelasan tahanan, dan pengelasan laser, masing-masing cocok untuk aplikasi, jenis material, dan konfigurasi sambungan yang berbeda.

Dasar-Dasar Proses dan Mekanisme

Prinsip Kerja

Mekanisme fisik inti dari pengelasan melibatkan transfer energi ke antarmuka komponen baja untuk menghasilkan panas yang cukup untuk melebur. Energi ini dapat disuplai melalui busur listrik, pemanasan tahanan, sinar laser, atau gesekan, tergantung pada proses pengelasan tertentu.

Dalam pengelasan busur, busur listrik terbentuk antara elektroda dan benda kerja, menghasilkan panas yang sangat tinggi (hingga 6.500°C) yang melelehkan bahan dasar dan bahan pengisi. Pengelasan tahanan menggunakan tahanan listrik di permukaan kontak, mengubah energi listrik menjadi panas melalui pemanasan Joule. Pengelasan laser menggunakan sinar laser terfokus untuk mengirimkan energi terkonsentrasi, memungkinkan pelelehan yang tepat dan cepat.

Dasar metalurgi melibatkan transformasi baja padat menjadi keadaan cair, diikuti oleh pendinginan yang terkontrol. Selama pelelehan, elemen paduan dan kotoran didistribusikan ulang, dan fase seperti ferit, austenit, atau martensit dapat terbentuk tergantung pada laju pendinginan dan komposisi paduan. Proses ini memastikan ikatan metalurgi pada tingkat atom, menghasilkan sambungan dengan kontinuitas metalurgi.

Dinamika Pembentukan Sambungan

Di tingkat mikrostruktur, pembentukan sambungan dimulai dengan penciptaan kolam cair di antarmuka bagian baja. Ketika input panas melebihi titik lebur, logam dasar dan bahan pengisi apa pun menyatu, membentuk fase cair yang membasahi permukaan. Bentuk dan ukuran kolam cair tergantung pada input panas, kecepatan perjalanan, dan sifat material.

Pembekuan terjadi saat panas menyebar ke material yang lebih dingin di sekitarnya, yang mengarah pada nukleasi dan pertumbuhan fase padat. Laju pendinginan mempengaruhi mikrostruktur, dengan pendinginan cepat mendukung struktur martensitik atau bainitik, sementara pendinginan lebih lambat mempromosikan mikrostruktur feritik atau pearlitik. Ikatan metalurgi dicapai melalui difusi keadaan padat dan reaksi metalurgi selama pembekuan.

Berbagai varian pengelasan mempengaruhi pembentukan sambungan. Misalnya, dalam pengelasan peleburan, pelelehan lengkap terjadi, menciptakan zona peleburan dan zona terpengaruh panas (HAZ). Dalam pengelasan titik tahanan, pelelehan terlokalisasi terjadi di titik kontak, membentuk nugget las. Evolusi teknologi pengelasan telah berkembang dari pengelasan busur logam terlindung manual menjadi pengelasan laser dan sinar elektron otomatis yang presisi tinggi, meningkatkan kontrol atas pembentukan sambungan.

Varian Proses

Varian utama pengelasan meliputi:

• Pengelasan Busur: Mencakup pengelasan busur logam terlindung (SMAW), pengelasan busur logam gas (GMAW), dan pengelasan gas tungsten inert (TIG). Ini bergantung pada busur listrik untuk menghasilkan panas, dengan variasi dalam jenis elektroda dan gas pelindung.

• Pengelasan Tahanan: Termasuk pengelasan titik dan pengelasan jahitan, di mana tahanan listrik di titik kontak menghasilkan pelelehan terlokalisasi. Banyak digunakan dalam manufaktur otomotif.

• Pengelasan Laser: Menggunakan sinar laser energi tinggi untuk pengelasan yang presisi dan cepat, cocok untuk material tipis dan geometri kompleks.

• Pengelasan Gesekan: Menggunakan gesekan mekanis untuk menghasilkan panas, menyambungkan material tanpa meleleh, ideal untuk logam yang berbeda.

Evolusi teknologi telah beralih dari proses elektroda habis manual ke sistem otomatis yang dikendalikan komputer dengan presisi, repetisi, dan kesesuaian yang lebih baik untuk produksi volume tinggi.

Peralatan dan Parameter Proses

Komponen Peralatan Utama

Peralatan utama untuk pengelasan mencakup sumber daya, pemegang obor atau elektroda, dan sistem kontrol. Sistem pengelasan busur memiliki sumber daya yang dapat disesuaikan, seperti penyearah atau inverter, dengan kontrol tegangan dan arus. Obor atau pistol pengelasan dirancang untuk proses tertentu, dengan bahan habis pakai seperti elektroda atau kawat pengisi.

Peralatan pengelasan tahanan terdiri dari transformator, penjepit elektroda, dan unit kontrol. Sistem pengelasan laser mencakup laser serat atau CO₂ berdaya tinggi, optik pengiriman sinar, dan tahap kontrol gerakan. Otomatisasi diintegrasikan melalui lengan robot, pengendali CNC, dan sensor pemantauan waktu nyata.

Antarmuka operator biasanya mencakup tampilan digital, panel penyesuaian parameter, dan pengunci keselamatan. Sistem modern menggabungkan pengendali logika terprogram (PLC) untuk otomatisasi proses dan pencatatan data.

Sumber Daya dan Sistem Pengiriman

Sumber daya pengelasan dirancang untuk memberikan energi listrik yang stabil dan dapat disesuaikan sesuai dengan kebutuhan proses. Untuk pengelasan busur, sumber daya menyediakan arus searah (DC) atau arus bolak-balik (AC), dengan fitur seperti kontrol pulsa untuk modifikasi input panas.

Pengelasan tahanan bergantung pada transformator dan bank kapasitor untuk menghasilkan pulsa arus tinggi. Sistem laser menggunakan laser dioda atau serat yang diberdayakan oleh sumber listrik dengan kemampuan modifikasi yang tepat.

Mekanisme kontrol mencakup regulator tegangan dan arus, kontrol waktu, dan loop umpan balik untuk mempertahankan input panas yang konsisten. Fitur keselamatan mencakup pemutus sirkuit, pemutus darurat, dan sistem pembumian untuk mencegah bahaya listrik.

Sistem perlindungan melibatkan gas pelindung, ekstraksi asap, dan manajemen termal untuk melindungi operator dan peralatan. Isolasi dan pembumian yang tepat sangat penting untuk kepatuhan keselamatan.

Parameter Proses Kritis

Parameter yang dapat dikendalikan yang kunci meliputi:

• Input Panas: Ditentukan oleh arus, tegangan, dan kecepatan pengelasan; mempengaruhi mikrostruktur dan sifat mekanik.

• Kecepatan Perjalanan: Mempengaruhi distribusi panas dan laju pendinginan; kecepatan yang lebih lambat meningkatkan input panas, berpotensi memperbesar zona peleburan.

• Tekanan Elektroda: Dalam pengelasan tahanan, tekanan mempengaruhi tahanan kontak dan kualitas las.

• Komposisi Gas Pelindung: Dalam pengelasan busur, gas seperti argon atau CO₂ melindungi kolam las dari oksidasi.

• Kecepatan Pemberian Material Pengisi: Menentukan komposisi paduan dan kekuatan las.

Rentang optimal tergantung pada ketebalan material, jenis, dan desain sambungan. Misalnya, dalam GMAW baja lunak, rentang arus tipikal berkisar antara 100-300 A, dengan kecep