Fisika dan kimia busur las: plasma busur dan sebaran panas, polaritas, cara pindah logam, gas pelindung, fluks dan terak, deoksidasi, sumber hidrogen, dan efisiensi panas proses

Braket penahan motor pada rangka mesin cuci-peras di sebuah laundry hotel retak di lasan lamanya. Pada sif malam, teknisi menggerinda retak itu lalu mengelasnya ulang dengan elektroda rendah hidrogen dari kotak yang berbulan-bulan terbuka di gudang dekat ruang cuci, tempat udara hampir selalu lembap. Busurnya mudah menyala, tetapi berdesis dan banyak memercik, teraknya sulit dilepas, dan permukaan lasan penuh lubang jarum. Keesokan paginya operator melihat retak rambut di samping lasan baru (kasus ilustrasi).

Gas di lubang jarum dan retak yang muncul belakangan berasal dari sumber yang sama: air di bungkus elektroda yang dipecah busur. Bab ini memandang busur sebagai peristiwa fisika dan kimia: gas terionisasi, kutub yang menerima panas tidak sama besar, tetesan logam, serta gas dan terak yang bereaksi dengan logam cair. Retak di samping lasan dibahas di Bab 14 tentang metalurgi daerah las.

Batas pembahasan

Bab ini membahas fisika dan kimia busur: plasma, polaritas, sebaran panas, efisiensi termal, cara pindah logam, gas pelindung, fluks, terak, deoksidasi, dan hidrogen. Proses las praktis, masukan panas dasar, persiapan sambungan, cacat las, keselamatan kerja panas, dan batas wewenang, termasuk apakah braket itu boleh dilas teknisi sendiri, ada di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las dalam perbaikan.

Karbon ekuivalen dasar ada di Bab 2 tentang besi dan baja, aluminium di Bab 4 tentang aluminium, penggetasan hidrogen di Bab 7 tentang mekanisme kegagalan, hukum Faraday di Bab 18 · Kimia tentang elektrokimia, gas larut di Bab 12 tentang pengecoran, deoksidasi baja di Bab 16 tentang pembuatan baja, oksidasi di Bab 17 tentang oksidasi logam, dan pemeriksaan lasan di Bab 18 tentang uji tak merusak. Parameter las di contoh dan latihan bab ini hanya untuk berlatih menghitung; parameter nyata diambil dari prosedur las dan lembar data pabrik.

Busur sebagai plasma

Busur las (welding arc) adalah lucutan listrik terus-menerus melalui gas terionisasi di antara elektrode dan benda kerja. Plasma (plasma) adalah gas yang sebagian atomnya kehilangan elektron sehingga berisi elektron bebas dan ion positif dan dapat menghantar listrik. Pada suatu titik, tegangan cukup tinggi untuk mengionisasi molekul udara, dan arus lalu mengalir sebagai percikan atau busur karena dielektriknya tembus. Pada lampu lucutan, begitu gas terionisasi, hambatannya turun, sehingga tegangan lebih rendah cukup untuk menjaga ionisasi. Hal yang sama berlaku pada busur: tegangan tanpa beban mesin las lebih tinggi daripada tegangan busur kerja karena gas harus diionisasi dulu.

Busur TIG sering dinyalakan dengan percikan bertegangan tinggi, dengan prinsip yang sama seperti plasma analitik yang dibuat dengan mengionisasi argon dengan percikan. Busur juga sumber cahaya yang kuat; perlindungan ultraviolet ada di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang keselamatan kerja panas.

Energi ionisasi pertama (first ionization energy) adalah energi yang diperlukan untuk melepas elektron paling longgar dari atom gas dalam keadaan dasar. Nilainya selalu positif dan umumnya turun dari atas ke bawah dalam satu golongan, dan energi ionisasi gas mulia termasuk yang tertinggi.

Energi ionisasi argon sekitar 15,7 eV dan helium sekitar 24,5 eV, sehingga busur argon lebih mudah dinyalakan dan busur helium memerlukan tegangan lebih tinggi. Dengan tetapan Faraday 96.485 C/mol, 1 eV per atom setara 96,485 kJ/mol. Per atom yang diionisasi, helium memerlukan sekitar 1,56 kali energi argon.

Katode, anode, dan polaritas

Katode (cathode) adalah kutub busur yang memancarkan elektron ke kolom busur. Anode (anode) adalah kutub busur yang menerima elektron dari kolom busur. Elektron yang dipercepat melepas energinya saat menumbuk anode, sedangkan ion positif menumbuk katode, sehingga kedua kutub tidak menerima panas yang sama.

Kajian neraca energi awal yang diterbitkan American Welding Society (AWS) menemukan sekitar 60 sampai 80 persen panas yang dibangkitkan diserap di anode. Angka dua pertiga dan sepertiga, atau 70 dan 30 persen, yang beredar belum dapat dipastikan asalnya. Bab ini memakai rentang 60 sampai 80 persen; pembagiannya bergantung pada gas, arus, dan panjang busur.

Polaritas las (welding polarity) adalah cara menghubungkan elektrode dan benda kerja ke kutub sumber arus las, yang menentukan kutub mana yang menjadi katode dan anode.

TIG baja dan baja tahan karat lazim memakai DCEN supaya tungsten tetap dingin dan panas terpusat di benda kerja. Polaritas yang benar untuk elektrode atau kawat tertulis di lembar data pabriknya.

Aluminium berbeda. Logam golongan 13 pasif karena lapisan tipis oksida yang liat dan keras, dan aluminium oksida meleleh pada 2050 °C, jauh di atas aluminium yang meleleh sekitar 660 °C.

Pembersihan katodik (cathodic cleaning) adalah pengikisan lapisan oksida permukaan benda kerja oleh tumbukan ion positif ketika benda kerja menjadi katode busur. Setengah siklus elektrode positif pada arus bolak-balik membuang oksida aluminium dengan cara ini, dan las DCEN pada aluminium hanya berhasil bila aluminium sangat bersih. Akibat oksida dan hidrogen bagi lasan aluminium dibahas di Bab 14 tentang las aluminium.

Energi busur, masukan panas, dan efisiensi termal

Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las sudah memberi rumus masukan panas $Q = \eta VI/v$ beserta contohnya; bagian ini memperdalam faktor efisiensinya. Lembaga las Inggris TWI membedakan dua besaran. Energi busur (arc energy) adalah energi listrik busur per satuan panjang las:

$AE = \frac{U\, I}{v}$

dengan $U$ tegangan busur (V), $I$ arus (A), dan $v$ kecepatan las (mm/s), sehingga $AE$ dalam J/mm. Masukan panas (heat input) adalah bagian energi busur yang diperhitungkan masuk ke benda kerja per satuan panjang las:

$HI = k \cdot AE$

dengan $k$ faktor efisiensi termal tanpa satuan. Bila kecepatan dalam mm/menit, $HI$ dalam kJ/mm sama dengan $k\,U\,I \times 60/(1000\, v)$.

Semua faktor itu relatif terhadap busur rendam, sehingga nilai 1,0 tidak berarti tidak ada panas yang hilang. Faktor yang sama dipakai kalkulator lembaga las Australia dan lazim dipakai standar Eropa, tetapi nomor standar asal tabelnya belum dapat dipastikan.

Urutan faktor dapat dijelaskan dengan neraca energi. Busur rendam terbenam di bawah fluks sehingga radiasinya tertahan. Pada SMAW, FCAW, dan GMAW, busur terbuka memancarkan sebagian energi, tetapi panas di elektrode habis dibawa tetesan ke kolam. Pada TIG, panas di tungsten dibuang lewat obor. Busur TIG tampak paling terang, tetapi per milimeter las dapat memasukkan panas paling kecil (Contoh 1). Panas yang kemudian mengalir menjauh di dalam benda kerja menentukan laju pendinginan di Bab 14 tentang siklus termal.

Kebiasaan kode Amerika menghitung masukan panas tanpa faktor efisiensi, setara $k = 1$, sedangkan standar Eropa memakai faktor $k$. Sebelum membandingkan parameter dengan batas prosedur, periksa apakah yang dibatasi energi busur atau masukan panas (Contoh 2 dan 3).

Cara pindah logam

Cara pindah logam (metal transfer mode) adalah pola perpindahan logam cair dari ujung kawat atau elektrode ke kolam las. Sejumlah kecil logam pengisi dipindahkan melintasi busur ke kolam las. Pada las MIG/MAG, polanya bergantung terutama pada arus, tegangan, diameter kawat, dan gas.

Arus transisi (transition current) adalah arus batas peralihan dari pindah butiran ke pindah semprot. Nilainya bergantung pada diameter kawat, campuran gas, dan jarak ujung kontak ke benda kerja, dan pindah semprot memerlukan argon umumnya minimal sekitar 80 persen. Angkanya per diameter kawat dibaca di lembar data kawat.

Bila kecepatan umpan kawat dinaikkan, arus naik otomatis. Fisikanya: sumber MIG/MAG umumnya bertegangan tetap; kawat yang lebih cepat memperpendek busur, hambatan turun, arus naik, kawat meleleh lebih cepat, dan panjang busur kembali. Laju leleh (melting rate) adalah berat atau panjang elektrode yang meleleh per satuan waktu (Contoh 5).

Gas pelindung: argon, helium, CO2, dan campuran

Gas pelindung (shielding gas) adalah gas atau campuran gas yang melindungi busur dan kolam las dari udara. Tugas pertamanya mengusir udara: nitrogen, oksigen, dan uap air yang masuk kolam las menimbulkan pori dan oksida, seperti gas pelindung yang tertiup angin di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang cacat las. Helium dipakai sebagai atmosfer lembam untuk melebur dan mengelas logam yang mudah teroksidasi, dan argon, gas ketiga paling melimpah di udara kering, diperoleh dari distilasi fraksional udara cair. Sebutan MIG dipakai untuk gas lembam dan MAG untuk gas aktif berisi CO2 atau oksigen.

Anggapan bahwa busur helium lebih panas karena energi ionisasinya tinggi disangkal Eagar dari MIT: suhu busur helium tidak lebih tinggi, dan daya lelehnya yang lebih besar dijelaskan oleh konduktivitas termal. Menurut perkiraannya, sekitar 20 persen panas yang masuk ke anode dari busur argon dihantarkan melalui lapisan batas, dibanding 43 persen pada busur helium. Tegangan busur helium yang lebih tinggi juga memberi daya lebih besar pada arus yang sama (Contoh 4).

Fluks, terak, dan deoksidasi

Terak (slag) adalah zat bertitik leleh rendah yang mudah dipisahkan dari logam cair, dan fluks (flux) adalah bahan yang membantu membuang pengotor; di tanur tinggi, terak yang kurang rapat mengapung di atas besi cair dan melindunginya dari oksidasi. Campuran kalsium silikat dan kalsium aluminat yang tetap cair pada suhu tanur juga disebut terak. Bungkus elektroda, fluks busur rendam, dan isi kawat berinti fluks bekerja dengan prinsip yang sama dalam ukuran kecil.

Terak las (welding slag) adalah lapisan lelehan oksida dan mineral dari fluks yang mengapung di atas logam las lalu membeku menjadi kerak. Fungsi fluks:

1. Menghasilkan gas pelindung ketika sebagian bahannya terurai oleh panas busur.
2. Membentuk terak yang menutup kolam las dan logam yang mendingin dari udara.
3. Menstabilkan busur dengan senyawa logam alkali, yang berenergi ionisasi pertama lebih rendah daripada logam alkali tanah dalam periode yang sama.
4. Memasok deoksidator dan unsur paduan ke logam las.

Logam cair yang bersentuhan dengan terak setara secara elektrokimia dengan logam yang bersentuhan dengan elektrolit. Terak cair adalah lelehan ionik, sehingga di antarmukanya terjadi oksidasi dan reduksi seperti di permukaan elektrode dalam larutan, dengan arah menurut kecenderungan tiap unsur untuk teroksidasi; dasarnya ada di Bab 18 · Kimia tentang potensial elektrode.

Deoksidasi (deoxidation) adalah pengikatan oksigen terlarut dalam logam cair oleh unsur yang lebih mudah teroksidasi daripada logam induk sehingga oksidanya naik ke terak. Pada logam las baja, mangan dan silikon dari kawat atau fluks bereaksi dengan oksigen terlarut:

$2\,\text{FeO} + \text{Si} \rightarrow \text{SiO}_2 + 2\,\text{Fe} \qquad \text{FeO} + \text{Mn} \rightarrow \text{MnO} + \text{Fe}$

Oksigen yang tidak terikat dapat bereaksi dengan karbon membentuk gas CO yang terperangkap sebagai pori. Karena CO2 dan oksigen dalam gas MAG oksidatif, kawat baja untuk MAG mengandung deoksidator (Latihan 6). Deoksidasi skala besar ada di Bab 16 tentang pembuatan baja.

Sumber hidrogen dan hidrogen difusibel

Hidrogen masuk ke busur dari uap air di bungkus elektroda atau fluks yang lembap, karat dan kerak terhidrasi, minyak, gemuk, dan cat, serta uap air di gas atau udara yang tersedot. Busur memecah air dan hidrokarbon, dan hidrogen atom larut di logam cair. Untuk aluminium, TWI mencatat sumber yang sama: uap air atau hidrokarbon yang terurai di busur. Elektroda rendah hidrogen yang dibiarkan terbuka di udara lembap menyerap air; penyimpanan dan pengeringan ulangnya mengikuti lembar data pabrik, yang berbeda per jenis elektroda.

Hidrogen difusibel (diffusible hydrogen) adalah hidrogen dalam logam las yang dapat bergerak di dalam kisi logam dan keluar dari logam pada suhu sekitar. Hidrogen ini dapat mengumpul di daerah keras dan bertegangan lalu menimbulkan retak tertunda, seperti di Bab 14 tentang retak hidrogen dan Bab 7 tentang penggetasan hidrogen. Kadarnya dinyatakan dalam mililiter hidrogen pada keadaan standar per 100 gram logam las terdeposit.

Penanda H4, H8, dan H16 pada sertifikat logam pengisi berarti kurang dari 4, 8, atau 16 ml hidrogen per 100 g logam las terdeposit, dan penanda ini opsional. Standar AWS A4.3 mengatur metode pengukuran hidrogen difusibel pada logam las baja martensitik, bainitik, dan feritik, dan edisi terbarunya A4.3:2025. Padanan penanda ini dengan penanda ISO belum dapat dipastikan dan tidak dipakai. Dengan volume molar gas sekitar 22,4 L/mol pada keadaan standar, 1 ml per 100 g setara sekitar 0,90 bagian per juta massa (Contoh 6).

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: tiga proses per milimeter las. SMAW 24 V, 150 A, 3 mm/s memberi $AE = 1\,200$ J/mm dan $HI = 0{,}96$ kJ/mm. GTAW 12 V, 120 A, 1,5 mm/s memberi $AE = 960$ J/mm dan $HI = 0{,}6 \times 0{,}96 = 0{,}58$ kJ/mm. SAW 30 V, 500 A, 8 mm/s memberi $AE = HI = 1\,875$ J/mm. Busur paling terang memasukkan panas paling kecil.

Contoh 2: mm/menit dan dua kebiasaan pelaporan. GMAW 26 V, 220 A, 300 mm/menit: energi busur $26 \times 220 \times 60/300 = 1\,144$ J/mm, masukan panas dengan $k = 0{,}8$ adalah 0,92 kJ/mm. Terhadap batas 1,0 kJ/mm, parameter ini lolos bila yang dibatasi masukan panas berfaktor, tetapi melampaui bila angka tanpa faktor. Selisih 25 persen ini hanya dari cara pelaporan.

Contoh 3: kecepatan las minimum. Prosedur membatasi masukan panas 1,0 kJ/mm. SMAW 23 V dan 140 A dengan $k = 0{,}8$: $v \ge 0{,}8 \times 23 \times 140/1\,000 = 2{,}58$ mm/s, sekitar 155 mm/menit. Lasan 100 mm harus selesai paling lama $100/2{,}58 = 39$ detik; tangan yang melambat atau mengayun lebar melampaui batas.

Contoh 4: argon dan helium pada arus yang sama. Pada 150 A, busur argon 12 V dan helium 18 V memberi $12 \times 150 = 1\,800$ W dan $18 \times 150 = 2\,700$ W, rasio 1,5. Ditambah hantaran lewat lapisan batas 43 lawan 20 persen menurut Eagar, daya leleh helium lebih besar walaupun suhu busurnya tidak lebih tinggi.

Contoh 5: laju leleh kawat. Kawat baja 1,2 mm diumpan 6 m/menit, dengan massa jenis baja 7,85 g/cm³ seperti di Bab 2 tentang besi dan baja. Luas $\pi/4 \times 0{,}12^2 = 0{,}01131$ cm², volume $0{,}01131 \times 600 = 6{,}79$ cm³ per menit, massa $6{,}79 \times 7{,}85 = 53{,}3$ g/menit, sekitar 3,2 kg/jam. Deposit nyata lebih kecil karena percikan.

Contoh 6: hidrogen difusibel dan air. Satu ml hidrogen pada keadaan standar adalah $1 \times 10^{-3}/22{,}4 = 4{,}46 \times 10^{-5}$ mol atau $9{,}0 \times 10^{-5}$ g; per 100 g sama dengan 0,90 bagian per juta. H4, H8, dan H16 berarti kurang dari sekitar 3,6, 7,2, dan 14,4 bagian per juta. Untuk 8 ml per 100 g diperlukan $3{,}57 \times 10^{-4}$ mol H2, setara air $3{,}57 \times 10^{-4} \times 18{,}02 = 6{,}4$ mg bila seluruhnya terserap: beberapa miligram air sudah mengubah kelas hidrogen lasan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan penyusun prosedur, penyelia, atau pabrik bila:

1. Elektroda rendah hidrogen berasal dari kemasan terbuka atau gudang lembap tanpa catatan pengeringan sesuai lembar data.
2. Pori muncul berulang dan sumbernya (angin, kipas, aliran gas, permukaan kotor) belum ditemukan.
3. Besaran batas di prosedur tidak jelas, atau tegangan, arus, dan kecepatan tidak dapat diukur.
4. Polaritas, mode arus, atau gas tidak diketahui atau tidak sesuai prosedur dan lembar data.
5. Minyak, karat, cat, air, atau sisa bahan kimia di sambungan tidak dapat dibersihkan.
6. Bagian bertekanan, berputar, menahan beban, atau menentukan keselamatan; kriterianya di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang batas wewenang.
7. Retak muncul di samping lasan beberapa jam atau hari kemudian; mesin tidak dijalankan sebelum diperiksa menurut Bab 14 tentang retak hidrogen dan Bab 18 tentang pemeriksaan lasan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las memberi proses las, cacat las, keselamatan kerja panas, dan batas wewenang. Bab 2 tentang besi dan baja memberi karbon ekuivalen dasar, Bab 4 tentang tembaga dan aluminium memberi sifat aluminium, Bab 7 tentang mekanisme kegagalan memberi penggetasan hidrogen, dan Bab 18 · Kimia tentang elektrokimia memberi dasar terak sebagai elektrolit. Bab 12 tentang pengecoran menjelaskan gas larut, Bab 14 tentang metalurgi daerah las meneruskan bab ini ke siklus termal, retak hidrogen, dan retak panas, Bab 16 tentang metalurgi ekstraktif membahas deoksidasi baja, Bab 17 membahas oksidasi suhu tinggi, dan Bab 18 tentang uji tak merusak membahas pemeriksaan pori dan retak.

Latihan dan pembahasan

Referensi