Sambungan las, brazing, solder, dan perekat dalam perbaikan: proses, cacat, tegangan sisa, keselamatan kerja panas, dan batas wewenang

Tangki cuci baja tahan karat sebuah mesin pencuci piring bocor di lasan pojoknya. Teknisi mengosongkan tangki, lalu mengelas retaknya dengan elektroda baja karbon yang ada di bengkel. Ia tidak membersihkan sisa deterjen dan kerak di sekitar retak, dan tumpukan kain lap kering ada di bawah meja mesin. Lasan itu tampak rapat, tetapi dalam sebulan berkarat cokelat dan retak lagi di tepinya; kain lap sempat berasap karena percikan.

Logam pengisi yang tidak sesuai membuat lasan pada baja tahan karat berkarat dan getas. Permukaan yang kotor menimbulkan pori dan retak, dan sisa bahan kimia yang terpanaskan dapat melepaskan gas berbahaya. Percikan las di ruang yang penuh serat dan kain adalah sumber kebakaran. Bab ini menjelaskan sambungan permanen yang dijumpai teknisi perbaikan, cara menilai mutu dan risikonya, dan batas pekerjaan yang boleh dikerjakan sendiri.

Batas pembahasan

Bab ini membahas las, brazing, solder, dan perekat pada tingkat memahami proses, memilih bahan, mengenali cacat, mengendalikan bahaya, dan memutuskan kapan menyerahkan pekerjaan. Mengelas bejana tekan, pipa uap, rangka penahan beban, drum dan poros berputar, serta peralatan bertekanan adalah pekerjaan juru las bersertifikat menurut prosedur yang disetujui.

Solder dan brazing pipa tembaga ada di Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung, korosi baja tahan karat dan pasangan logam di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia, kelelahan dan konsentrasi tegangan di Bab 10 tentang kekuatan komponen, dan pengunci ulir anaerob di Bab 3 tentang baut dan sambungan ulir. Pemuaian termal ada di Bab 11 · Fisika, polimer perekat di Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer, izin kerja di Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman dan izin kerja, dan ketidakcocokan bahan kimia di Bab 25 · Kimia tentang reaktivitas dan ketidakcocokan bahan kimia. Prosedur las, logam pengisi, dan pemeriksaan untuk pekerjaan tertentu ditetapkan perancang dan pabrik.

Empat cara menyambung permanen

1. Las: bagian logam induk dan logam pengisi dilelehkan bersama lalu membeku menjadi satu. Atom-atom harus cukup dekat agar ikatan atom terbentuk; pelelehan dan tekanan adalah dua cara mendekatkannya. Sambungan las dapat sekuat logam induk, tetapi daerah yang terpanaskan berubah sifatnya.
2. Brazing: logam pengisi meleleh di atas sekitar 450 °C tetapi di bawah titik leleh logam induk, lalu ditarik masuk celah sempit oleh gaya kapiler. Logam induk tidak meleleh.
3. Solder: sama seperti brazing, tetapi logam pengisinya meleleh di bawah sekitar 450 °C. Kekuatannya lebih rendah dan cocok untuk pipa air bersih dan sambungan listrik.
4. Perekat: polimer yang mengeras dan menempel pada permukaan. Teknologi perekat untuk penerapan penahan beban terbatas, dan perekat poliuretan satu atau dua komponen mengeras menjadi perekat yang ulet dan lentur.

Paduan pengisi timah-perak meleleh sekitar 220 °C, sedangkan paduan pengisi perak untuk brazing sekitar 650 sampai 750 °C. Yang pertama tergolong solder dan yang kedua brazing menurut batas sekitar 450 °C.

Pilihan di antara keempatnya ditentukan oleh bahan, beban, suhu kerja, lingkungan, dan apakah sambungan perlu dibongkar lagi. Sambungan baut, yang dapat dibongkar, sering lebih baik untuk perbaikan di lapangan.

Proses las yang umum

Proses las yang umum adalah sebagai berikut.

1. Las busur elektroda terbungkus (SMAW): elektroda berbungkus fluks; sederhana dan tahan angin, banyak dipakai untuk perbaikan baja. Tidak mungkin memakai seluruh panjang elektroda yang dibeli, karena sisa puntung terbuang.
2. Las busur gas logam (GMAW, MIG/MAG): kawat diumpankan terus dan dilindungi gas; cepat dan banyak dipakai untuk baja, baja tahan karat, dan aluminium.
3. Las busur gas tungsten (GTAW, TIG): elektroda tungsten tidak habis dan logam pengisi ditambahkan terpisah. Proses ini memerlukan juru las yang sangat terampil, tetapi mutu lasannya dapat sangat baik; cocok untuk baja tahan karat tipis dan tangki.
4. Las busur berinti fluks (FCAW) dengan kawat berongga berisi fluks.
5. Las oksi-gas: panas dari pembakaran oksigen dan gas bakar; juga dipakai untuk brazing dan memotong.
6. Las titik resistansi: bagian ditumpuk dan ditekan, lalu arus besar melelehkan titik sentuhnya; banyak dipakai pada panel mesin.

Untuk bahan tertentu, aluminium paling sering dilas dengan GTAW atau GMAW, tembaga dengan GTAW dan GMAW dan dapat juga dengan SMAW, dan baja tahan karat austenitik jenis pengerasan endapan paling sulit dilas karena retak panas.

Masukan panas, logam pengisi, dan bahan

Masukan panas (heat input) adalah energi busur yang masuk ke sambungan per satuan panjang las:

$Q = \eta \, \frac{V \, I}{v}$

dengan $Q$ masukan panas (J/mm), $V$ tegangan busur (V), $I$ arus (A), $v$ kecepatan las (mm/s), dan $\eta$ efisiensi proses. Arus adalah ukuran besarnya arus yang mengalir melalui elektroda dan benda kerja. Las busur dengan 22 V, 150 A, kecepatan 4 mm/s, dan efisiensi 0,8 (angka contoh) memberi $Q = 0{,}8 \times 22 \times 150/4 = 660$ J/mm, atau 0,66 kJ/mm; bila kecepatan diturunkan menjadi 2 mm/s, masukan panas menjadi dua kali lipat. Masukan panas yang terlalu besar melebarkan daerah terpengaruh panas, menambah distorsi, dan pada baja tahan karat dapat mengurangi ketahanan korosi di dekat lasan; yang terlalu kecil membuat lasan tidak menyatu.

Logam pengisi dipilih menurut logam induk:

1. Baja karbon dengan pengisi baja yang kekuatannya setara.
2. Baja tahan karat austenitik seperti tipe 304 dan 316 dengan pengisi baja tahan karat yang sesuai, sering versi berkarbon rendah. Pengisi baja karbon pada baja tahan karat, seperti pada kasus pembuka, menghasilkan lasan yang berkarat dan dapat getas.
3. Aluminium dengan pengisi aluminium yang sesuai paduannya, setelah lapisan oksida dibersihkan.
4. Pasangan logam berbeda, misalnya baja tahan karat dengan baja karbon, dengan pengisi khusus; sambungannya juga menjadi pasangan galvanik di air, seperti di Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia.

Setelah mengelas baja tahan karat, warna pelangi dan kerak oksida di sekitar lasan dibersihkan dan permukaan dipasivasi menurut prosedur, karena daerah itu kehilangan lapisan pelindungnya; Bab 19 · Kimia menjelaskan pasivasi.

Persiapan sambungan

Sebagian besar cacat las berasal dari persiapan, bukan dari tangan juru las. Langkah yang umum sebelum busur dinyalakan:

1. Bersihkan cat, minyak, karat, kerak, sisa deterjen, dan air sampai logam mengilap di sekitar sambungan, termasuk sisi belakang bila terjangkau.
2. Bentuk sambungan sesuai tebal pelat: pelat tebal diberi alur bevel agar las dapat tembus, dan retak lama digerinda habis sampai ujungnya, lalu ujung retak diberi lubang kecil bila prosedur memintanya.
3. Atur celah dan posisi; dalam banyak kasus bagian dipasang sesak lebih dulu agar kedudukannya baik sebelum dilas.
4. Pasang las ikat pendek di beberapa titik untuk menahan posisi.
5. Keringkan dan, bila diminta, panaskan awal benda kerja dan elektroda menurut prosedur.
6. Pasang kabel kembali dekat dengan titik las pada bagian yang sama, agar arus tidak mengalir lewat bantalan, poros, atau papan elektronik.

Tegangan sisa, distorsi, dan cacat las

Logam las dan daerah di sekitarnya memuai saat panas dan menyusut saat dingin, sementara logam di sekitarnya yang dingin menahan. Akibatnya timbul tegangan sisa (residual stress), yaitu tegangan yang tertinggal di dalam bagian setelah lasan dingin, dan distorsi: pelat melengkung, flens tidak lagi rata, lubang bergeser. Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal menjelaskan pemuaian yang menjadi sebabnya (Contoh 3).

Cara mengendalikannya: urutan pengelasan yang direncanakan baik membantu menyeimbangkan gaya susut satu sama lain, pemanasan awal sedikit mengurangi tegangan sisa, dan pelepasan tegangan dilakukan antara lain untuk kestabilan ukuran. Di lapangan, lasan pendek berselang-seling, penjepitan, dan pemanasan awal sesuai prosedur adalah cara yang umum. Tegangan sisa tarik di tepi lasan, ditambah konsentrasi tegangan dari bentuk lasan, menjadikan tepi lasan titik awal retak lelah, seperti dijelaskan di Bab 10 tentang kekuatan komponen.

Cacat las dan pemeriksaannya

Mutu las adalah kemampuannya bekerja di lingkungan rancangannya, dan lasan diperiksa untuk memastikan kesesuaiannya dengan persyaratan spesifikasi. Cacat yang umum:

1. Porositas: gelembung gas yang terperangkap dalam logam las yang membeku; sebabnya permukaan kotor, berminyak, basah, atau gas pelindung yang tertiup angin.
2. Retak: retak garis tengah, yang dipengaruhi rancangan sambungan dan bentuk manik las, retak di daerah terpengaruh panas, dan retak di ujung kawah las.
3. Takik tepi (undercut): alur di tepi lasan karena arus atau sudut yang salah; titik konsentrasi tegangan.
4. Kurang menyatu dan kurang tembus: logam las tidak menyatu dengan logam induk atau tidak mencapai akar sambungan.
5. Terak terperangkap pada proses berfluks.
6. Distorsi berlebih yang membuat bagian tidak lagi pas.

Pemeriksaan yang dapat dilakukan teknisi adalah pemeriksaan visual dengan lampu dan kaca pembesar, uji rembes air atau uji tekan menurut prosedur untuk tangki, dan uji cairan penetran oleh orang yang terlatih. Pemeriksaan radiografi dan ultrasonik untuk lasan kritis dikerjakan pemeriksa bersertifikat.

Brazing dan solder: celah dan kebersihan

Brazing dan solder bergantung pada gaya kapiler, sehingga celah sambungan menentukan hasil. Celah yang umum untuk brazing sekitar 0,05 sampai 0,15 mm (Contoh 4): terlalu lebar, pengisi tidak tertarik; terlalu sempit, pengisi tidak masuk. Permukaan sambungan dan logam pengisi harus bersih. Fluks melarutkan oksida dan melindungi permukaan selama pemanasan, dan sisanya dibersihkan setelah selesai karena banyak fluks bersifat korosif.

Urutan kerja umum: potong rata dan buang bram, bersihkan permukaan dengan sikat atau amplas sampai mengilap, oleskan fluks bila diperlukan, rakit dan tahan, panaskan bagian yang lebih tebal lebih dulu sampai pengisi meleleh saat disentuhkan ke sambungan, bukan ke api, lalu biarkan dingin tanpa digerakkan. Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung membahas solder dan brazing pipa tembaga, termasuk solder tanpa timbal untuk air minum. Brazing sambungan refrigerasi dibahas di rak Utilitas.

Perekat: rancangan sambungan dan persiapan

Perekat menahan beban paling baik dalam geser, yaitu dua permukaan yang ditumpuk dan ditarik sejajar, dan paling lemah dalam kupas dan belah, yaitu tepi yang ditarik menjauh. Kekuatan sambungan tumpang kira-kira kekuatan geser perekat dikali luas tumpang (Contoh 5), dengan catatan bahwa tegangan menumpuk di ujung tumpangan.

Hal yang menentukan hasil:

1. Persiapan permukaan: bebas minyak, debu, dan oksida yang lepas; sering diamplas lalu dibersihkan pelarut yang diizinkan pabrik perekat.
2. Jenis perekat sesuai bahan, suhu, air, dan bahan kimia: epoksi untuk kekuatan dan suhu, poliuretan untuk kelenturan, akrilik untuk pengerasan cepat, perekat anaerob untuk ulir dan suaian, seperti pengunci ulir di Bab 3. Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer menjelaskan sifat polimer.
3. Waktu dan suhu pengerasan menurut lembar data; sambungan yang dibebani sebelum mengeras penuh menjadi lemah.
4. Tebal lapisan menurut pabrik; lapisan yang terlalu tebal lebih lemah.

Perekat tidak dipakai sebagai satu-satunya penahan bagian berputar, bertekanan, atau penahan beban berat kecuali dirancang demikian oleh pabrik.

Keselamatan kerja panas

Kerja panas (hot work) adalah pekerjaan yang memakai busur, nyala api, atau panas yang dapat menyalakan bahan di sekitarnya, seperti mengelas, memotong dengan oksi-gas, dan brazing. Pengelasan aman bila langkah yang cukup diambil untuk melindungi juru las dari bahaya. Bahaya dan pengendaliannya:

1. Kebakaran. Percikan dan terak panas dapat terlempar beberapa meter dan menyala di serat kain, debu, lap berminyak, dan pelarut, keadaan yang biasa ada di laundry. Kerja panas memerlukan izin kerja, pemindahan atau penutupan bahan mudah terbakar, alat pemadam di tempat, dan penjaga api selama dan setelah pekerjaan menurut aturan setempat; Bab 76 · Kelistrikan & Kendali menjelaskan izin kerja.
2. Asap dan gas. Asap las baja tahan karat mengandung senyawa krom dan nikel, baja berlapis seng melepaskan asap seng, dan cat atau minyak terbakar melepaskan gas lain. Ventilasi isap setempat dan pelindung pernapasan dipakai menurut penilaian risiko.
3. Sisa bahan kimia. Wadah, tangki, atau pipa yang pernah berisi bahan mudah terbakar atau bahan kimia tidak dilas atau dipotong sebelum dibersihkan dan dinyatakan aman. Pelarut berklor yang terkena busur las dapat terurai menjadi gas sangat beracun; Bab 25 · Kimia membahas campuran berbahaya.
4. Sinar dan panas. Busur las memancarkan ultraviolet yang membakar mata dan kulit; tirai las melindungi orang lain di sekitar.
5. Sengatan listrik. Tegangan terbuka mesin las berbahaya bila tangan atau pakaian basah (Contoh 6); sarung tangan kering, alas kering, dan kabel yang utuh.
6. Tabung gas diikat tegak, katup ditutup setelah selesai, dan selang diperiksa kebocorannya; penahan nyala balik dipasang pada las oksi-gas.

Bab 2 · Keselamatan tentang hierarki pengendalian, izin kerja, dan verifikasi keadaan aman menjelaskan hierarki pengendalian bahaya yang mendasari urutan di atas.

Memperbaiki, mengganti, atau menyerahkan

Pertanyaan yang diajukan sebelum mengelas sebuah bagian:

1. Apakah bagian ini bertekanan, berputar, menahan beban berat, atau menentukan keselamatan? Bila ya, pekerjaan mengikuti prosedur yang disetujui dan dikerjakan juru las bersertifikat. Prosedur pengelasan dikembangkan oleh insinyur atau teknisi las, bukan oleh juru las, dan bejana tekan memerlukan berbagai bentuk sambungan las yang ditetapkan rancangannya.
2. Mengapa bagian ini retak? Retak lelah akan kembali bila sebabnya tidak dihapus, seperti dijelaskan di Bab 10 tentang kekuatan komponen.
3. Apakah bahan dan pengisinya diketahui?
4. Apakah suku cadang asli tersedia? Mengganti sering lebih murah daripada mengelas bila biaya tenaga, waktu henti, dan risiko dihitung. Ada contoh tercatat ketika 92 persen biaya lasan adalah biaya tenaga kerja (Contoh 2).
5. Apakah perbaikan itu mengubah garansi atau sertifikasi mesin?

Contoh kerja

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

Contoh 1: kebutuhan elektroda. Sambungan memerlukan 0,5 kg logam las. Bila 85 persen panjang elektroda terpakai karena puntung terbuang dan efisiensi deposit 60 persen, setiap kilogram elektroda memberi $0{,}85 \times 0{,}60 = 0{,}51$ kg logam las, sehingga diperlukan sekitar 1 kg elektroda.

Contoh 2: bagian biaya tenaga kerja. Bila biaya sebuah lasan Rp500.000 dan 92 persen adalah tenaga kerja seperti contoh tercatat di bagian memperbaiki atau mengganti, biaya tenaga Rp460.000 dan bahan hanya Rp40.000. Persiapan yang baik dan sambungan yang lebih pendek menurunkan biaya lebih besar daripada memilih elektroda yang lebih murah.

Contoh 3: pemuaian saat mengelas. Daerah pelat baja sepanjang 300 mm yang rata-rata memanas 200 K memanjang $12 \times 10^{-6} \times 300 \times 200 = 0{,}72$ mm. Bila tertahan saat mendingin, penyusutan sebesar itu menjadi tegangan sisa atau distorsi.

Contoh 4: celah brazing. Pipa tembaga berdiameter luar 22,00 mm masuk fitting berdiameter dalam 22,10 mm. Celah radial $(22{,}10 - 22{,}00)/2 = 0{,}05$ mm, di ujung bawah rentang umum brazing.

Contoh 5: kekuatan sambungan perekat tumpang. Tumpangan $25 \times 20$ mm dengan kekuatan geser perekat 15 MPa: $15 \times 500 = 7.500$ N dalam geser. Bila sambungan yang sama dibebani kupas, kekuatannya hanya sebagian kecil dari angka itu.

Contoh 6: sengatan dari tegangan terbuka. Tegangan terbuka mesin las 70 V dan hambatan tubuh saat tangan basah sekitar 1.000 ohm (nilai yang lazim dipakai, sangat bervariasi): arus $70/1.000 = 0{,}07$ A atau 70 mA, cukup untuk menimbulkan kejang otot dan gangguan irama jantung.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan keputusan kepada pengawas bila:

1. Bagian yang akan dilas bertekanan, berputar, menahan beban berat, atau menentukan keselamatan, dan tidak ada prosedur yang disetujui atau juru las bersertifikat.
2. Izin kerja panas belum ada, bahan mudah terbakar seperti serat, kain, dan pelarut belum dipindahkan atau ditutup, atau alat pemadam dan penjaga api belum siap.
3. Wadah, tangki, atau pipa pernah berisi bahan mudah terbakar atau bahan kimia dan belum dinyatakan bersih dan aman.
4. Mesin belum diisolasi listrik, air, dan bahan kimianya; arus las juga dapat merusak papan elektronik mesin bila kabel kembali dipasang jauh dari titik las. Ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.
5. Ventilasi tidak memadai untuk asap las, terutama pada baja tahan karat dan baja berlapis seng.
6. Logam induk atau logam pengisi tidak diketahui, atau retak yang sama sudah pernah dilas dan muncul kembali.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 4 · Bangunan & Fasilitas tentang material pipa dan alat sambung memberi solder dan brazing pipa, Bab 19 · Kimia tentang korosi elektrokimia memberi korosi dan pasivasi, Bab 10 tentang kekuatan komponen memberi kelelahan, dan Bab 3 tentang baut dan sambungan ulir memberi pengunci ulir yang termasuk perekat anaerob. Pemuaian dibahas di Bab 11 · Fisika tentang pemuaian termal dan perubahan fase, dan polimer di Bab 22 · Kimia tentang polimer dan elastomer. Dari sisi keselamatan, Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, energi tersimpan, dan kondisi berhenti memberi dasar kondisi berhenti, Bab 76 · Kelistrikan & Kendali tentang kerja aman memberi izin kerja, Bab 2 · Keselamatan tentang hierarki pengendalian, izin kerja, dan verifikasi keadaan aman memberi hierarki pengendalian, Bab 25 · Kimia tentang reaktivitas dan ketidakcocokan bahan kimia memberi campuran berbahaya, dan Bab 21 · Laundry tentang K3 laundry memberi bahaya kebakaran dan kimia di laundry.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.