AKU BISA

PENGARUH PENGGUNAAN FILLER METAL ER-308, ER-309, DAN

INCONEL 82 PADA PENGELASAN DISSIMILAR METAL ANTARA BAJA

KARBON A-106 DAN BAJA TAHAN KARAT A 312 TP 304H

ABSTRAK

Primary reformer adalah suatu bagian di industri pupuk yang berfungsi untuk mengalirkan gas

yang bekerja pada temperatur 600-800ºC dan tekanan 30 bar. Komponen ini berbentuk pipa yang tersusundari dua buah material yang berbeda yaitu baja karbon dan baja tahan karat. Dua buah material inidisambung dengan pengelasan jenis Gas Tungsten Arc Welding (GTAW). Kegagalan yang sering dijumpaipada kasus pengelasan Dissimilar Metal Welding (DMW) ini adalah disbonding yang kemungkinandisebabkan oleh kesalahan prosedur pengelasan. Penelitian ini membahas tentang perbandingan jenis fillermetal (ER-308, ER-309 dan Inconel 82) pada metode pengelasan (buttjoint dan buttering) terhadap kualitas lasan DMW. Pengujian yang dilakukan meliputi analisis kemampulasan, pengujian struktur mikro dan kekerasan. Kesimpulan yang dicapai dari pengujian ini adalah filler metal Inconel 82 paling bagus dibandingkan dua filler metal lainnya. Hal ini ditunjukkan dengan tidak ditemukannya type II grain boundary dan tipisnya darkband. Sebaiknya dilakukan buttering dulu sebelum pengelasan DMW. Tidak disarankan pemakaian baja karbon medium karena memperbesar darkband dan cenderung membentuk fasa getas. Kata kunci: GTAW, filler metal, DMW, disbonding, type II grain boundary, darkband

1. Pendahuluan

Primary reformer adalah suatu alat yang digunakan di PT. X yang berfungsi untuk memecahkan

gas hidrokarbon menjadi hidrogen. Proses reforming adalah proses reaksi CH4 + H20 CO + 3H2 yang memerlukan temperatur dan tekanan tinggi. Ammonia reformer tube biasanya dioperasikan pada suhu 600- 800ºC dan tekanan 30-40 bar. Primary reformer dibuat dari material yang berbeda. Pada flange menggunakan material baja karbon dan pada catalist tube menggunakan material baja tahan karat. Kedua material tersebut disambung dengan menggunakan las GTAW

dengan filler metal Inconel 82. DMW adalah suatu proses pengelasan biasanya antara baja tahan karat dengan baja yang lain. DMW ini sering dipakai ketika dibutuhkan perbedaan sifat mekanik atau sifat lainnya dalam aplikasi. Sebagai contoh, pipa baja tahan karat austenitik dipakai untuk mengalirkan uap temperatur dan tekanan tinggi di industri pembangkit daya. Untuk temperatur dan tekanan yang lebih rendah bisa digunakan baja karbon atau baja

paduan rendah lainnya demi kepentingan ekonomis [1]. Pengelasan antara baja tahan karat dan baja karbon akan menghasilkan perbedaan struktur mikro dan sifat mekanik pada daerah sambungannya. Pengontrolan struktur mikro daerah lasan (weld zone) khususnya saat

root pass sangat peting karena bisa terbentuk fasa 100% martensit, 100% austenit, atau fasa campuran austenit, ferit dan martensit [2,3]. Sebagai tambahan, akan terbentuk daerah transisi komposisi dari weld zone ke base metal. Daerah ini akan memiliki perbedaan struktur mikro dan sifat mekanik atau kimia dengan daerah di dekatnya [4]. Karena sebagian baja karbon dan baja

paduan rendah sesuai standar pengelasan membutuhkan post-weld heat treatment (PWHT), struktur mikro pada weld zone dan heat-affected zone (HAZ) perlu diperhatikan seksama akibat pengaruh PWHT tersebut [5]. Terdapat beberapa mekanisme retak atau kegagalan pada pengelasan DMW ini, antara lain: disbonding sepanjang type II boundaries, solidification cracking, kegagalan creep pada HAZ baja karbon, PWHT

cracking, dan sebagainya [1]. Contoh kegagalan karena disbonding pada primary reformer ditunjukkan pada

gambar 1.

Gambar 1. Disbonding pada primary reformer Primary reformer ini tersusun dari baja tahan karat austenitik (A312 TP 304H) dan baja karbon medium (A106 Grade B) dengan filler metal Inconel 82. Kegagalan ini terjadi setelah masa operasi 2 tahun dari perkiraan 4-5 tahun. Kegagalan ini kemungkinan disebabkan oleh karena kesalahan pemilihan filler

metalnya. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan filler metal ER-308, ER-309, dan Inconel 82 pada pengelasan baja karbon A-106 dan baja tahan karat A312 TP-304H dengan metode GTAW terhadap kualitas sambungan las.

2. Prosedur Penelitian

Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah baja karbon medium (A-106) dan baja tahan karat (A312 TP-304H). Metoda pengelasan yang dilakukan adalah dengan GTAW. Variasi filler metal yang digunakan adalah ER-8, ER-9 dan Inconel 82 dengan bentuk penyambungan butt dan buttering. Semua spesimen hasil pengelasan diperoleh dari PT. X. Karakterisasi yang dilakukan meliputi perhitungan kemampulasan, pengujian kekerasan dan struktur mikro.

3. Hasil dan Pembahasan

3.1 Hasil Prediksi Fasa dengan Diagram Schaeffler

Gambar 2 adalah hasil prediksi struktur mikro yang diplotkan dengan diagram Schaeffler buttering baja karbon A-106 dengan ER-308 menghasilkan nilai Cr equivalent sebesar 15.65 dan Ni equivalent sebesar 10.75. Dari fasa martensit pada base metal dan austenit+ferrit 20% pada filler metal menghasilkan austenit+martensit pada weld metal.

Gambar 3. Prediksi fasa buttering baja karbon A-106 dan ER-309

Pada gambar hasil prediksi struktur mikro yang diplotkan dengan diagram Schaeffler buttering baja karbon A-106 dengan ER-309 menghasilkan nilai Cr equivalent 17.92 dan nilai Ni equivalent sebesar 13.96. Dimana struktur mikro yang terjadi pada batas fusi dari srtuktur martensit pada base metal dan austenit+ferrite 10% pada filler metal menghasilkan struktur austenite pada weld metal.

Gambar 4. Prediksi fasa buttering baja karbonA-106 dan Inconel 82

Pada gambar 4 hasil prediksi struktur mikroyang diplotkan dengan diagram Schaeffler buttering baja karbon A-106 dengan Inconel 82 menghasilkan nilai Cr Gambar 3. Prediksi fasa buttering baja karbon A-106 dan ER-309 Gambar 2. Prediksi fasa Buttering baja karbon A-106 dan ER-308 menghasilkan nilai Cr.

equivalent 15.89 dan nilai Ni equivalent sebesar 51.51.Dimana struktur yang terjadi pada batas fusi dari fasa martensit pada base metal dan austenit pada filler metalmenghasilkan struktur austenite

Gambar 5. Prediksi fasa butt joint SS 304 H dan baja karbon A-106 menggunakan Inconel 82.

Pada gambar 5 hasil prediksi struktur mikro yang diplotkan dengan diagram Schaeffler buttjoint baja karbon A-106, SS 304H dengan Inconel 82 menghasilkan nilai Cr equivalent 19.11 dan nilai Ni equivalent sebesar 53.4. dimana struktur yang terjadi pada batas fusi dari struktur mikro martensit pada base metal baja karbon A-106, austenit pada SS A 312 TP 304H, dan austenit pada filler metal Inconel 82 menghasilkan struktur austenit pada weld metal. Kesimpulan yang diperoleh dari prediksi fasa dengan menggunakan diagram Scaeffler dapat dilihat pada tabel 1 berikut

Tabel 1. Hasil prediksi fasa

Bentuk sambungan                                    Fasa

Buttering CS – ER-308                            Austenit + Martensit

Buttering CS – ER-309                            Austenit

Buttering CS – Inconel 82                        Austenit

Butt CS – SS – Inconel 82                        Austenit

Terlihat dari tabel tersebut filler metal ER-308 akan menghasilkan fasa martensit + austenit yang mana fasa martensit ini dihindari dalam proses pengelasan.

3.2 Nilai Carbon Equivalence (CE)

Unsur karbon pada suatu material logam mempunyai pengaruh terhadap kemampulasan dari material logam. Makin besar harga CE, kemampulasan material tersebut akan makin berkurang dan membutuhkan berbagai perlakuan panas untuk memperbaiki sifatnya.

                 %Mn        % Cr+ % Mo +% V      % Si+ % Ni +% Cu

CE= %C+ -------  +  ------------------------   +  ------------------------

                      6                        5                                    15

Nilai carbon equivalent dari baja karbon A-106 grade B

CE = 0.3 + 0.67/6 + (0.4+0.15+0.08)/5 + (0.1+0.4+0)/15

      = 0.3 + 0.11 + 0.12 + 0.03

      = 0.56

Sesuai standar [6], baja karbon ini memerlukan preheat, PWHT dan kontrol temperatur interpass pada pengelasannya.

3.3 Analisis struktur mikro

Struktur mikro pada base metal baja karbon terdiri dari fasa ferit dan fasa perlit (Gb.7) Fasa ferit berwarna terang, sedangkan fasa perlit berwarna gelap.

Gambar 8-11 menunjukkan suatu daerah bernama Lord Hard Zone (LHZ) atau dark band yang merupakan daerah dimana terjadi difusi karbon dari HAZ baja karbon ke arah weld zone atau sebaliknya (tergantung mana yang memiliki kandungan karbon yang signifikan). Difusi karbon ini akan membentuk senyawa besi karbida atau martensit [1]. Ketebalan LHZ

dipengaruhi oleh masukan panas dan laju pendinginan. Difusi karbon mulai terjadi pada suhu 4000C dan makin tinggi suhunya akan mempercepat difusi karbon pada batas fusi [1]. Terlihat dari tabel 2, darkband dengan filler metal Inconel 82 paling tipis. Fenomena ini bisa disebabkan Inconel memiliki unsur utama nikel yang mana bisa menghambat laju difusi karbon dari HAZ baja karbon ke arah weld zone [1,7,8,9].

Tabel 2. Ketebalan darkband pada lasan buttering

Filler metal                                        Ketebalan (μm)

ER-308                                                     60

ER-309                                                     30

Inconel 82                                                 15

Dari foto struktur mikro di atas juga dapat dideteksi keberadaan type II grain boundary yang mana merupakan tanda terjadinya kegagalan disbonding.

Tabel 3. Type II grain boundary

Filler metal                                       Keberadaan

ER-308                                              Tidak ada

ER-309                                                   Ada

Inconel 82                                         Tidak ada

Type II grain boundary ini hanya dijumpai pada pengelasan dengan filler metal ER-309

3.4 Analisis Kekerasan

Gambar 12. Grafik kekerasan terhadap posisi buttjoint Inconel 82

Gambar 12 merupakan angka kekerasan dari pengelasan DMW dengan butt joint menggunakan filler metal Inconel 82. Di sana terlihat distribusi kekerasan dari base metal, HAZ, dan weld zone relatif homogen. Hasil ini sesuai dengan yang dipersyaratkan oleh NACE MR0715 dimana kekerasan pada semua daerah tidak boleh melebihi 250 VHN [10]

Gambar 13. Grafik kekerasan DMW baja karbon dengan buttering ER-308

Pada gambar 13 terlihat daerah antara HAZ baja karbon dan weld zone buttering ER-308 memiliki kekerasan di atas 250 HVN. Hal ini kemungkinan besar disebabkan oleh terbentuknya senyawa getas berupa krom karbida dan/atau martensit. Hal ini didukung dengan hasil prediksi fasa pengelasan baja karbon A 106 dengan filler metal ER-308 di mana pada weld zone akan terbentuk fasa austenit+martensit (lihat Gb.2 atau table 1) dan juga ditemukannya dark band (Gb. 8). Dari hasil ini dapat dikatakan bahwa pengelasan DMW dengan filler metal ER-308 tidak direkomendasikan karena akan menghasilkan fasa getas pada daerah batas fusinya.

Gambar 14. Grafik kekerasan DMW baja karbon dengan buttering ER-309

Serupa dengan hasil yang diperoleh pada gambar 13, pengelasan buttering dengan filler metal ER-309 akan menghasilkan fasa getas dengan kekerasan di atas 250 HVN pada daerah sekitar batas fusi. Data ini juga didukung dari pengamatan struktur mikro berupa dark band (lihat Gb. 9)

Gambar 15. Grafik kekerasan DMW baja karbon dengan buttering Inconel 82

Hasil pengelasan DMW buttering dengan filler metal Inconel 82 mengasilkan angka kekerasan di bawah 250 VHN pada semua daerah. Hasil ini serupa dengan sambungan butt seperti terlihat hasilnya pada gambar 12. Bila hasil ini dikaitkan dengan keberadaan dark band (Gb. 10 dan tabel 2), tipisnya dark band tidak terlalu berpengaruh terhadap angka kekerasan.

4. KESIMPULAN

1.      Pengelasan DMW antara baja karbon A-106 dan baja tahan karat A-312 TP 304H lebih cocok menggunakan filler metal Inconel 82 daripada ER- 308 dan ER-309. Hal ini dibuktikan dari distribusi kekerasan <250 VHN, tipisnya daerah dark band dan tidak ditemukannya type II grain boundary.

2.       Penggunaan filler metal ER-308 dan 309 dengan banyaknya unsur krom untuk penyambungan material dengan kandungan karbon yang cukup tinggi (baja karbon medium) tidak dianjurkan karena hal ini dapat menyebabkan terbentuknya karbida pada batas fusi.

DAFTAR PUSTAKA

1.      Lippold, J.C., Kotecki, D.J., 2005,”Welding Metallurgy and Weldability of Stainless Steel”, Wiley Inter Science, Canada

2.      Schaeffler, A.L., 1947,”Selection of austenitic electrodes for welding dissmilar metals”, Welding Journal, 26(10):601-620.

3.      Thielsch, H., 1952,”Stainless steel weld deposits on mild and alloy steels”, Welding Journal, 31(1):37-64.

4.      Pan, C., Wang, R., and Gui, J., 1990,”Direct TEM observation of microstructures of the austenitic/carbon steels welded joint, Journal of  material Science, 25:3281-3285.

5.       Lundin, C.D.,1982,”Dissimilar metal welds: transititon joints literatue review”, Welding Journal, 61(2):58-63.

6.      ASME QW-461.4, 2001, ”Welding General Requirements”, American National Standart

7.      ASM, 1993, “Welding Brazing And Soldering”, vol. 6, ASM Handbook Committe.

8.       Kou, Sindo, 2003,”Welding Metallurgy”, Wiley Inter Science, Canada. AWS WHB-4, 2003 “Dissimilar Metals”, AWS Handbook Committe.

9.      NACE MR0175, 2001, “General Principles For Selection of Cracking Resistant Materials” NACE International Standart.

10.  Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9 Palembang, 13-15 Oktober 2010