Metalurgi daerah las: siklus termal dan laju pendinginan, zona lebur sebagai coran kecil, zona terpengaruh panas, karbon ekuivalen dan pemanasan awal, retak hidrogen, retak panas, las baja tahan karat dan aluminium, dan perlakuan panas pasca las

Misalkan poros penggerak kipas sebuah mesin pengering di laundry hotel aus di alur pasaknya, dan puli mulai oblak. Gambar komponen menyebut baja kromium-molibdenum yang dicelup dan ditemper. Bengkel luar menawarkan jalan cepat: alur lama diisi las penambahan dengan elektroda baja biasa tanpa pemanasan awal, poros dibubut, lalu alur pasak baru dibuat di sisi lain. Poros berputar normal. Lima minggu kemudian poros patah tepat di batas antara logam las dan logam induk, dan permukaan patahnya menunjukkan retak lelah yang tumbuh dari retak halus di bawah manik.

Las penambahan itu meninggalkan tiga hal di poros: logam las yang membeku seperti coran kecil, logam induk yang berubah fase lalu didinginkan cepat, dan hidrogen yang ikut larut. Bab ini menjelaskan ketiganya dengan fisika dan kimia, dan mengapa bagian berputar, bertekanan, atau penahan beban tidak diperbaiki begini tanpa prosedur yang dikualifikasi.

Batas pembahasan

Bab ini membahas apa yang terjadi pada logam setelah busur lewat. Fisika busur dan sumber hidrogen ada di Bab 13 tentang busur las; proses las, cacat, keselamatan kerja panas, dan batas wewenang di Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang sambungan las; karbon ekuivalen dasar di Bab 2 tentang besi dan baja; sensitisasi di Bab 3 tentang baja tahan karat; paduan aluminium di Bab 4; pelepasan tegangan di Bab 6 tentang perlakuan panas; penggetasan hidrogen di Bab 7; kelelahan di Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika tentang kekuatan komponen; diagram besi-karbon di Bab 10; kurva CCT di Bab 11; pembekuan di Bab 12 tentang pengecoran; dan pemeriksaan retak di Bab 18 tentang uji tak merusak.

Rumus waktu pendinginan dari standar las Eropa tidak dimuat karena belum dapat diverifikasi dari teks standarnya per 18 Oktober 2026; bab ini menjelaskan konsepnya saja. Komposisi dan parameter di bab ini adalah angka contoh untuk berhitung; angka pekerjaan diambil dari prosedur las, sertifikat bahan, dan lembar data pabrik.

Siklus termal dan laju pendinginan

Siklus termal las (weld thermal cycle) adalah riwayat suhu terhadap waktu yang dialami satu titik logam ketika busur mendekat, lewat, dan menjauh. Makin dekat ke garis lebur, makin tinggi suhu puncaknya. Pendinginan terutama lewat konduksi ke logam dingin di sekitarnya; benda kerja sendiri adalah penyerap panas yang jauh lebih efektif daripada udara.

Ukuran yang banyak dipakai adalah waktu pendinginan dari 800 ke 500 °C, rentang tempat austenit pada baja umumnya bertransformasi. Kekerasan daerah terpengaruh panas makin tinggi bila waktu itu makin pendek, dan aliran panas dianggap dua dimensi pada pelat tipis dan tiga dimensi pada pelat tebal. Hubungan laju pendinginan dengan fase yang terbentuk dibaca di kurva CCT pada Bab 11 tentang transformasi fase.

Arah pengaruhnya: masukan panas lebih besar, pemanasan awal, dan penampang lebih tipis memperpanjang waktu pendinginan; pelat tebal dan las pendek memperpendeknya. Di awal dan akhir jalur las laju pendinginan dapat dua kali lebih cepat daripada di tengah jalur yang panjang. Karena itu retak sering mulai di ujung las dan di las ikat pendek. Manik pendek pada poros tebal yang dingin, seperti di kasus pembuka, adalah keadaan pendinginan paling cepat.

Zona lebur dan zona terpengaruh panas

Zona lebur (fusion zone) adalah bagian sambungan yang pernah mencair seluruhnya lalu membeku menjadi logam las. Zona ini adalah coran kecil dengan tiga perbedaan dari coran di cetakan: volumenya kecil, gradien suhunya sangat curam, dan cetakannya adalah logam induk sendiri, sehingga pembekuan tidak memerlukan nukleasi baru. Pembekuan epitaksial (epitaxial solidification) adalah pertumbuhan kristal logam las yang langsung meneruskan butir logam induk di garis lebur dengan orientasi yang sama. Butir lalu tumbuh kolumnar searah aliran panas menuju garis tengah manik. Nukleasi dan dendrit dijelaskan di Bab 12 tentang pembekuan logam.

Besi murni mempunyai titik beku lebih tinggi daripada paduan besi-karbon. Akibatnya bagian yang membeku pertama lebih murni, dan cairan terakhir di garis tengah manik diperkaya karbon, belerang, dan fosfor. Pengenceran (dilution) adalah bagian logam induk yang ikut melebur dan bercampur ke dalam logam las. Pada las penambahan baja paduan, karbon logam induk masuk ke lapisan pertama, sehingga elektroda berkarbon rendah tidak menjamin logam las berkarbon rendah (Contoh 1). Gas yang ditolak saat membeku menjadi pori; porositas (porosity) adalah gelembung gas yang terperangkap dalam logam las yang membeku.

Zona terpengaruh panas (heat-affected zone, HAZ) adalah logam induk di samping zona lebur yang tidak mencair tetapi struktur mikronya berubah oleh siklus termal las. Baja mengubah struktur kristalnya ketika dipanaskan, dan martensit terbentuk tanpa difusi sehingga komposisinya sama dengan austenit asalnya. HAZ baja dibagi menurut suhu puncak; batas suhunya dibaca di diagram besi-karbon Bab 10 dan nasib austenitnya di Bab 11 tentang martensit.

Logam lain mempunyai peta HAZ sendiri: paduan aluminium 6xxx-T6 melunak di dekat las seperti di Bab 4 dan Bab 6, baja tahan karat austenitik mengalami sensitisasi pada sekitar 450 sampai 850 °C, dan baja tahan karat feritik mengalami pertumbuhan butir, seperti di Bab 3. Pada poros di kasus pembuka, butir kasar yang keras berada tepat di batas las dan daerah subkritis di sebelahnya lebih lunak; batas las menjadi pertemuan daerah keras, daerah lunak, dan konsentrasi tegangan, awal retak lelah seperti di Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika.

Karbon ekuivalen dan pemanasan awal

Bab 2 memberi karbon ekuivalen IIW dan pedoman kasarnya. Untuk retak hidrogen dipakai juga rumus lain (setiap unsur dalam persen massa):

Ito dan Bessyo meneliti 200 jenis baja sebelum menetapkan rumus Pcm. Pcm dirancang untuk baja paduan mikro berkarbon rendah, umumnya bila karbon sekitar 0,11 persen atau kurang, walaupun asal batas itu belum dapat dipastikan. Satu baja memberi angka berbeda pada tiap rumus (Latihan 2) karena tiap rumus punya skala batasnya sendiri; pedoman 0,4 dan 0,6 di Bab 2 tidak dipakai untuk Pcm atau CET.

Pemanasan awal (preheat) adalah pemanasan logam induk di sekitar sambungan sampai suhu tertentu sebelum dan selama pengelasan. Fisikanya tiga: waktu pendinginan memanjang sehingga HAZ kurang keras, hidrogen punya waktu berdifusi keluar sebelum logam dingin, dan gradien suhu serta tegangan berkurang. Pemanasan awal juga sedikit menurunkan tegangan sisa. Kenaikan CET sekitar 0,01 menaikkan suhu pemanasan awal sekitar 7,5 °C; angka itu perlu dicek ke teks standar sebelum dipakai untuk prosedur. Suhu pemanasan awal ditetapkan prosedur dan diukur di benda kerja, tidak ditebak dari warna atau lamanya nyala (Latihan 3).

Retak hidrogen

Retak hidrogen (hydrogen cracking) adalah retak di logam las atau daerah terpengaruh panas yang timbul setelah lasan dingin karena hidrogen difusibel bertemu struktur mikro yang rentan di bawah tegangan tarik. Retak jenis ini juga disebut retak bawah manik atau retak tertunda. Empat syarat bertemu:

1. Hidrogen difusibel cukup banyak, dari elektroda lembap, karat, minyak, atau udara, seperti di Bab 13 tentang sumber hidrogen.
2. Struktur mikro rentan, biasanya martensit keras di butir kasar HAZ.
3. Tegangan tarik dari susut las dan kekangan; perhatian khusus harus diberikan pada kekangan dari logam induk di sekitarnya.
4. Suhu rendah, mendekati suhu ruang, setelah lasan dingin.

Atom hidrogen berdifusi cepat di baja bahkan pada suhu ruang; hukum difusinya ada di Bab 11 tentang hukum Fick. Hidrogen berkumpul di daerah bertegangan tinggi dan ujung takik, sehingga retak muncul beberapa jam sampai hari setelah las, sesudah lasan lolos pemeriksaan visual pertama. Mata ikan (fish eye) adalah cacat pada permukaan patahan las baja, dan cacat ini berkaitan dengan hidrogen.

Pencegahannya menghapus satu syarat: elektroda rendah hidrogen yang kering, permukaan bersih, pemanasan awal, masukan panas cukup, kekangan dikurangi, dan pemanasan pasca las bila prosedur meminta. Baja tahan karat austenitik jauh kurang rentan karena austenit melarutkan lebih banyak hidrogen dan tidak berubah menjadi martensit. Penggetasan hidrogen pada baut dan pegas ada di Bab 7.

Retak panas dan las baja tahan karat

Retak pembekuan (solidification cracking) adalah retak di logam las yang terjadi selama logam masih dalam rentang beku, ketika lapisan tipis cairan di antara butir tidak mampu menahan tegangan susut. Retak ini disebut juga retak panas dan biasanya membujur di garis tengah manik, tempat cairan terakhir yang kaya pengotor membeku. Belerang dan fosfor hampir tidak mengubah mode pembekuan, tetapi segregasinya adalah sebab utama retak panas. Rancangan sambungan memengaruhi kecenderungan retak garis tengah akibat bentuk manik, dan baja tahan karat austenitik pengerasan presipitasi paling sulit dilas karena retak panas. Manik yang dalam dan sempit lebih rentan daripada manik yang lebar.

Pada baja tahan karat austenitik, peramal utama retak panas adalah mode pembekuan. Logam las yang membeku dengan ferit sebagai fase pertama lebih tahan retak panas; batasnya sekitar rasio ekuivalen kromium terhadap ekuivalen nikel 1,5, dengan makalah lama memberi 1,48. Ekuivalen menurut diagram WRC-1992, setiap unsur dalam persen massa:

$Cr_{eq} = Cr + Mo + 0{,}7\,Nb \qquad Ni_{eq} = Ni + 35\,C + 20\,N + 0{,}25\,Cu$

Diagram WRC-1992 adalah alat prediksi paling akurat yang tersedia, tetapi tidak memperhitungkan laju pendinginan dan kurang teliti pada kadar ferit tinggi. Rumus lain dengan koefisien berbeda juga beredar.

Angka ferit (ferrite number, FN) adalah ukuran kadar ferit dalam logam las baja tahan karat menurut cara ukur yang dibakukan. Untuk layanan umum disebut FN 5 sampai 10, dan FN rendah lebih tahan korosi tertentu tetapi sangat rentan retak panas; angka minimum lain yang beredar belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 18 Oktober 2026. Target FN ditetapkan prosedur dan lembar data pengisi; pengisi berpaduan lebih tinggi tidak otomatis lebih baik (Contoh 4). Sensitisasi dan mutu L ada di Bab 3 tentang sensitisasi.

Las aluminium: oksida dan hidrogen

Aluminium menimbulkan dua masalah kimia. Pertama, aluminium oksida meleleh pada 2050 °C, sedangkan aluminium meleleh sekitar 660 °C, selisih 1.390 K. Oksida tidak ikut meleleh di kolam las; ia dibuang oleh pembersihan katodik seperti di Bab 13 tentang polaritas, dan oleh pembersihan sebelum dilas. Paduan aluminium tempa dibersihkan dengan cara berbeda dari paduan cetak tekan, jadi cara membersihkan mengikuti paduannya.

Kedua, hidrogen. Kelarutan hidrogen dalam aluminium padat kira-kira 20 kali lebih rendah daripada dalam cairan, sehingga hidrogen keluar dari larutan saat kolam membeku dan menjadi pori bila tidak sempat lolos; hidrogen itu berasal dari uap air atau kontaminasi hidrokarbon. Kelarutannya sekitar 0,7 ml per 100 g dalam aluminium cair pada 660 °C, dan proses yang sangat cepat memberi hidrogen lebih sedikit waktu untuk keluar. Gas larut pada coran dan hukum Sieverts ada di Bab 12 tentang porositas. Aluminium yang dilas setelah hujan, atau tanpa dibersihkan dari minyak dan embun, menghasilkan lasan berpori (Contoh 5).

Perlakuan panas pasca las

Perlakuan panas pasca las (post-weld heat treatment, PWHT) adalah pemanasan terkendali benda las setelah pengelasan, penahanan pada suhu tertentu, dan pendinginan terkendali untuk menurunkan tegangan sisa dan memperbaiki sifat daerah las. Kestabilan ukuran adalah alasan besar kedua pelepasan tegangan benda las. Bab 6 tentang perlakuan panas memberi suhu pelepasan tegangan baja sekitar 550 sampai 650 °C. Pada baja, PWHT juga menemper martensit HAZ dan mengeluarkan hidrogen.

Ada dua peringatan. Pada baja tahan karat austenitik biasa, suhu itu berada di dalam rentang sensitisasi Bab 3, sehingga PWHT tidak dilakukan tanpa keputusan perancang (Contoh 6). Pada paduan yang dikeraskan presipitasi, pemanasan merusak endapan, dan pemulihannya memerlukan perlakuan larutan dan penuaan penuh (Bab 6 tentang pengerasan presipitasi). Angka PWHT bejana tekan dan perpipaan ditetapkan kode yang berlaku.

Prosedur yang dikualifikasi dan batas wewenang

Las pada bejana tekan, pipa uap dan ketel, komponen angkat seperti kait, rantai, dan rangka derek, poros dan drum berputar, serta komponen keselamatan seperti rem dan interlock memerlukan prosedur las yang dikualifikasi dan juru las yang bersertifikat untuk prosedur itu. Spesifikasi prosedur las (welding procedure specification) adalah dokumen tertulis yang menetapkan bahan, logam pengisi, proses, parameter, pemanasan awal, suhu antarlapis, perlakuan pasca las, dan pemeriksaan untuk satu jenis sambungan. Prosedur dikualifikasi dengan membuat dan menguji sambungan contoh menurut kode yang berlaku.

Prosedur las dikembangkan insinyur atau teknisi las, bukan juru las; lasan struktural harus mengembangkan kekuatan penuh bagian yang disambungnya; dan lasan diperiksa terhadap spesifikasi. Ringkasan kuliah bukan prosedur sertifikasi untuk pengelasan atau peralatan bertekanan. Bab ini, seperti Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika tentang batas wewenang, tidak menggantikan prosedur itu. Untuk poros di kasus pembuka, jalan yang benar adalah poros baru sesuai gambar.

Contoh kerja

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

Contoh 1: pengenceran karbon. Lapisan pertama las penambahan pada poros 4140 dengan C 0,40 persen (komposisi sama dengan Bab 2) memakai pengisi C 0,08 persen. Dengan pengenceran 30 persen, karbon logam las $0{,}30 \times 0{,}40 + 0{,}70 \times 0{,}08 = 0{,}176$ persen; dengan 50 persen, $0{,}24$ persen. Arus lebih besar umumnya menaikkan pengenceran.

Contoh 2: logam las lawan HAZ. Dengan Mn 0,88, Cr 0,95, dan Mo 0,20 pada poros dan Mn 1,00 pada pengisi, logam las dengan pengenceran 30 persen berisi Mn 0,964, Cr 0,285, dan Mo 0,06 persen. CE IIW-nya $0{,}176 + 0{,}964/6 + (0{,}285 + 0{,}06)/5 = 0{,}41$, sedangkan poros $0{,}40 + 0{,}88/6 + (0{,}95 + 0{,}20)/5 = 0{,}78$, sama dengan Bab 2. Daerah paling berisiko adalah HAZ di logam induk.

Contoh 3: kecepatan las dan arah pendinginan. SMAW 23 V dan 130 A dengan $k = 0{,}8$ memberi masukan panas $0{,}8 \times 23 \times 130/4 = 598$ J/mm pada 4 mm/s dan 1.196 J/mm pada 2 mm/s, dengan rumus masukan panas di Bab 13. Masukan panas dua kali lipat memperpanjang waktu pendinginan sehingga HAZ kurang keras, tetapi HAZ melebar dan butir kasarnya tumbuh; besar perubahan waktunya tidak dihitung di bab ini.

Contoh 4: dua pengisi baja tahan karat. Pengisi tipe 308L dengan Cr 20,0; Mo 0,2; Ni 10,0; C 0,02; N 0,06; Cu 0,10: $Cr_{eq} = 20{,}2$, $Ni_{eq} = 10 + 0{,}7 + 1{,}2 + 0{,}025 = 11{,}9$, rasio 1,69, ferit primer. Pengisi tipe 310 dengan Cr 25; Mo 0,1; Ni 20; C 0,10; N 0,05; Cu 0,1: $Cr_{eq} = 25{,}1$, $Ni_{eq} = 20 + 3{,}5 + 1{,}0 + 0{,}025 = 24{,}5$, rasio 1,02, austenit primer, rentan retak panas bila belerang dan fosfor tidak sangat rendah.

Contoh 5: pori hidrogen aluminium. Kolam las aluminium 10 g jenuh pada 0,7 ml per 100 g memuat 0,070 ml hidrogen pada keadaan standar; setelah membeku, dengan kelarutan sekitar 20 kali lebih rendah, hanya 0,0035 ml yang tetap larut. Kelebihan 0,0665 ml pada 660 °C dan 1 atm bervolume $0{,}0665 \times 933/273 = 0{,}23$ ml, sekitar 6 persen volume kolam $10/2{,}7 = 3{,}7$ cm³ bila semuanya terperangkap. Ini batas atas kasar karena sebagian gas lolos, tetapi menunjukkan mengapa sedikit embun cukup membuat lasan berpori.

Contoh 6: PWHT pada rakitan campuran. Rangka baja karbon dengan braket baja tahan karat 304 yang dilas akan diberi PWHT 600 °C. Suhu itu di dalam rentang 550 sampai 650 °C Bab 6, tetapi juga di dalam rentang sensitisasi 450 sampai 850 °C Bab 3. Keputusannya milik perancang, misalnya memasang braket dengan baut setelah PWHT.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan, pasang tanda, dan serahkan keputusan kepada pemilik peralatan, insinyur las, atau pabrik bila:

1. Bagian adalah bejana tekan, pipa uap atau ketel, komponen angkat, poros atau drum berputar, rem, interlock, atau penahan beban, dan tidak ada prosedur las yang dikualifikasi serta juru las bersertifikat untuk prosedur itu.
2. Komponen yang dikeraskan, dicelup dan ditemper, atau tidak diketahui mutunya diminta dilas penambahan.
3. Karbon ekuivalen IIW di atas sekitar 0,4 atau prosedur meminta pemanasan awal, tetapi alat ukur suhu tidak ada.
4. Retak ditemukan di samping atau di bawah manik setelah las; bagian tidak dipakai sampai diperiksa menurut Bab 18 tentang uji tak merusak.
5. Baja tahan karat akan dilas dengan pengisi di luar prosedur, atau akan diberi PWHT.
6. Komponen aluminium penahan beban dari paduan yang dikeraskan presipitasi diminta dilas.
7. Bagian yang sama sudah pernah dilas dan retak lagi.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 13 memberi masukan panas dan sumber hidrogen. Bab 13 · Mekanikal & Mekatronika memberi proses las dan batas wewenang; Bab 2 karbon ekuivalen dasar; Bab 3 sensitisasi; Bab 4 paduan aluminium; Bab 6 perlakuan panas; Bab 7 penggetasan hidrogen; Bab 10 · Mekanikal & Mekatronika kelelahan; Bab 11 · Fisika kalor jenis; Bab 10 sampai Bab 12 fase, transformasi, dan pembekuan; dan Bab 18 pemeriksaan retak.

Latihan dan pembahasan

Referensi