REVIEWER

1. Prof. Dr. Agustinus Purna Irawan

2. Harto Tanujaya, S.T., M.T., Ph.D.

3. Dr. Abrar Riza, S.T., M.T.

4. Dr. Lamto Widodo, S.T., M.T.

5. Ir. Sofyan Djamil, M.Si

6. Dr. Adianto, M.Sc

7. Ir. Rosehan, M.T.

EDITOR

Prof. Dr. Agustinus Purna Irawan

PENYUNTING

Dr. Lamto Widodo, S.T., M.T.

DESAIN SAMPUL DAN TATA LETAK

Didi Widya Utama S.T., M.T.

PENERBIT

Program Studi Teknik Mesin dan Teknik Industri

Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara

Jakarta

REDAKSI

Jl. Letjen. S. Parman No. 1 Jakarta 11440

Telp. (021) 5663124

Fax.: (021) 5663277

e-mail: snmi_mesin@ft.untar.ac.id ; snmi_mesin@yahoo.co.id

PROSIDING

SEMINAR NASIONAL MESIN DAN INDUSTRI X 2016

ISBN: 978-602-71459-3-1

RISET MULTIDISIPLIN UNTUK MENUNJANG PENGEMBANGAN INDUSTRI NASIONAL

Universitas Tarumanagara Jakarta, 21-22 Juni 2016

Diterbitkan oleh: Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara

Jl. Let. Jend. S. Parman No. 1 Jakarta 11440 Telp. 021-5672548, 5663124, 5638335; Fax. 021-5663277

e-mail: snmi_mesin@ft.untar.ac.id ; snmi_mesin@yahoo.co.id Website: www.untar.ac.id

SURAT PEMBERITAHUAN Nomor: 833-JM/FT-Untar/III/2016

Berdasarkan hasil review yang telah dilakukan oleh tim reviewers terhadap makalah yang telah Bapak/Ibu/Saudara/i kirimkan, maka makalah dengan: Judul : Pendekatan Inverse Material Konstitutive dalam Prediksi Kekuatan

Hasil Las Titik (Spot Welding)

Penulis : I Nyoman Budiarsa, I Nyoman Gde Antara

Instansi : Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana

Kode Makalah : TM-29 Dinyatakan DITERIMA untuk DIPRESENTASIKAN dalam Seminar Nasional Mesin dan Industri (SNMI X) 2016 yang diselenggarakan oleh Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara Jakarta, tanggal 21-22 April 2016. Adapun biaya sebagai pemakalah sebesar Rp. 600.000,- untuk pembayaran dapat dilakukan melalui transfer ke rekening:

BCA UNTAR Kampus 1 Nomor Rekening: 001-303-1174

Atas Nama: Fakultas Teknik UNTAR Kami mengucapkan terima kasih kepada Bapak/Ibu/Saudara/i yang telah berkenan mengirimkan makalah untuk SNMI X 2016. Selamat berseminar. Jakarta, 21 Maret 2016

Ketua Jurusan Teknik Mesin Ketua Panitia SNMI X 2016 Harto Tanujaya, S.T., M.T., Ph.D. Dr. Ir. Erwin Siahaan, M.Si

@UNTARFAKULTAS ITEKN IK I

SERTIFIKATDiberikan Kepacla:

I Nyoman BudiarsaSebagai:

PemakatahSeminar Nastonal jrtestn dan Industri (S]\'ll4I X) 2016

Dengan terna

Riset Muttidisiptin untuk Menunjang Pengembangan industri NasionalDtselenggarakan oleh

Prosram"".fl l",H\:lT,T,fi :ll'?ilX'il:'i3iliu"*rndustri

Universitas Tarumanagara

iakarta, 21,-ZZ April 20lC

Ketua Panitia

c*Dr. Ir. Erwin Siahaan, M.Si.Prof. Dr. Agusttnus Purna Irawart

Seminar Nasional Mesin dan Industri (SNMI X) 2016 Riset Multidisiplin untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional

Jakarta, 21-22 April 2016

TM-215

PENDEKATAN INVERSE MATERIAL KONSTITUTIVE DALAM

PREDIKSI KEKUATAN HASIL LAS TITIK (SPOT WELDING)

I Nyoman Budiarsa, I Nyoman Gde Antara

Jurusan Teknik Mesin.Fakultas Teknik.Universitas Udayana. Bali. Indonesia

Kampus Bukit Jimbaran Bali. Telp (0361-703321)

e-mail: nyoman.budiarsa@unud.ac.id

Abstrak

Deformasi pada hasil pengelasan titik merupakan sebuah tantangan tersendiri dalam

penelitian karena sifat kompleks struktur. Salah satu masalah utamanya adalah untuk

mengkarakterisasi sifat material. Parameter bahan elastis-plastik dan parameter fraktur bahan

dapat segera ditentukan saat spesimen standar tersedia, namun untuk sambungan las titik

(spot welded joint), pengujian standar tidak berlaku untuk mengkarakterisasi HAZ dan nugget

karena struktur yang kompleks dan ukuran kecil. Penelitian ini akan membuka peluang

kemungkinan untuk mengkarakterisasi sifat material berdasarkan metode indentor ganda

untuk pengujian secara terbalik terhadap ciri parameter bahan konstitutif

(seperti: ( ) ( )) untuk nugget, HAZ

dan logam dasar. Dalam pendekatan numerik-eksperimental, data beban-deformasi bahan

yang digunakan sebagai data masukan untuk Model elemen hingga (FE) yang mensimulasikan

geometri dan kondisi batas dari percobaan. Dengan tes Indentasi, sifat plastik lokal dapat

dihitung dengan memecahkan masalah inverse melalui analisis elemen hingga dengan

bertahap berbagai sifat dalam pemodelan 3D untuk menemukan hasil simulasi kurva beban-

perpindahan yang sama dibandingkan dengan eksperimen sebelumnya. Pendekatan ini

kemudian akan digunakan untuk menguji zona las yang berbeda dan parameter bahan, hasil

prediksi ini digunakan untuk mensimulasikan deformasi pada sambungan las titik pada kondisi

beban yang kompleks termasuk tarik geser dan Test drop weight impact

Kata kunci : Kurva P-h, Kekerasan Vickers (Hv), , n, Finite Elemen (FE) model

1. Pendahuluan

Karakterisasi sifat material, parameter bahan elastis-plastik dan parameter fraktur

(fracture parameters) bahan dapat dengan mudah ditentukan saat spesimen standar tersedia.

Namun untuk permasalahan hasil sambungan las titik (spot welding)[1], pengujian standar

tidak berlaku untuk mengkarakterisasi hasil las dikarenakan struktur yang kompleks dan

ukuran kecil [2]. Banyak penelitian telah dilakukan untuk meningkatkan pemahaman di

tempat sambungan las sebagai interaksi antara fenomena listrik, termal, metalurgi dan

mekanik [3]. Suatu bidang penelitian yang masih aktif adalah pada prediksi dimensi tempat

sambungan las dengan mensimulasikan proses pengelasan dengan pemodelan elemen

hingga [2],[3]. Bidang penelitian aktif lain yaitu pada studi mikrostruktur [4]. Model

mikro harus mempertimbangkan sifat termo-fisik bahan dalam rangka untuk

menggambarkan transformasi fasa selama pemanasan dan pendinginan tahap. Penelitian

dan pengembangan diperlukan untuk menghasilkan beberapa model yang mampu

menggambarkan pembentukan simultan serta memungkinkan untuk memprediksi

perkembangan mikro dan transformasi selama proses pengelasan spot, dan juga untuk

mengetahui karakteristik dan perilaku bahan, berkaitan dengan kondisi beban yang

diterapkan pada las titik. Perkembangan terbaru dalam dalam instrumentasi test indentasi

untuk uji indentasi kontinyu respon perilaku material pada pengujian didasarkan olehbeban

(P) dan perpindahan(h) pada kurva (p-h) indentasi [4]. Dalam proses indentasi, material

mengalami deformasi yang kompleks membentuk zona deformasi mekanisme yang

berbeda yang merupakan salah satu cara yang paling efektif untuk menganalisis indentasi

[5],[6] Karya sebelumnya menunjukkan kekerasan yang dapat berhubungan dengan

Seminar Nasional Mesin dan Industri (SNMI X) 2016 Riset Multidisiplin untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional

Jakarta, 21-22 April 2016

TM-216

tegangan representatif (σr), sesuai dengan reganganrepresentatif (εr) yang merupakan

regangan plastik rata-rata yang dihasilkan pada indentasi [4].[7] Konsep ditambah dengan

pemodelan elemen hingga (FE) telah berhasil digunakan dalam menganalisis indentor

tajam di mana regangan dan tegangan representatif didefinisikan dengan baik dengan

menggunakan sudut indentor tetap. Dalam kasus ini, hubungan yang dihasilkan antara

parameter material dan kurva P-h akhirnya dapat digunakan untuk mengestimasi kekerasan

dari parameter bahan. Simulasi dengan model yang telah tervalidasi dilakukan pada

berbagai sifat material (y: 100 - 900 MPa, dan n:0.0 - 0.3) hubungan antara yield stress

(y), koefisien pengerasan regang (n), kekerasan dapat diketahui.

2. Eksperimental dan pengembangan Indentation Size Effect (ISE)

Dua spesimen dengan bahan dan ketebalan yang berbeda (Stainless steel dan Mild

steel) digunakan dalam penelitian ini. Seperti yang tercantum dalam Tabel.1.

Tabel 2.1. Komposisi kimia material spot welding test

Concentration C Cr Ni Mn Si P S

Stainless Steel G304 <0.08% 17.5-20% 8-11% <2% <1% <0.045% <0.03%

Mild steel 0.14% 0.01% 0.01% 0.32% 0.03% 0.2% 0.05%

Stainless steel yang digunakan adalah stainless steel grade 304 dengan lebar 25mm,

dan ketebalan 0.8 mm, spesimen lain adalah Mild steel dengan lebar 25mm dan ketebalan

1.44mm. Sambungan las dari dua kombinasi bahan disiapkan dan diuji. Untuk pengujian

kekerasan sampel Baja batang elips padat dengan diameter 5 mm dan panjang 90 mm dan

memiliki dudukan di tepi. Uji kekerasan Vickers dilakukan dengan menggunakan Duramin-

1 Struers hardness Vickers. Mesin uji Duramin-1 Struers hardness Vickers menggunakan

metode pembebanan langsung dengan berbagai beban dari 490.3mN sampai 19.61 N.

indentor memiliki bentuk piramida yang tepat dengan dasar persegi dan sudut 136o antar

sisi muka yang berlawanan [8].

Gambar 2.1. hasil pengujian Indentation size effect (ISE) pada base metal dan nugget

Seminar Nasional Mesin dan Industri (SNMI X) 2016 Riset Multidisiplin untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional

Jakarta, 21-22 April 2016

TM-217

Gambar 2.2. Finite Elemen model, simulasi dan tipikal hasil simulasi selama loading dan

unoading, serta hasil ptrdiksi untuk ( dan n =(0.1 – 0.5)

Sambungan las dari dua kombinasi bahan disiapkan dan diuji. Tes tarik (Tensile

tests) dilakukan menggunakan Lloyd LR 30K Universal material testing machine yang

dapat melakukan test tarik maupun kompresi. Mesin ini memiliki kapasitas maksimum 30

kN, dengan pembacaan yang akurat untuk 0.5% dari gaya. Mesin ini dihubungkan dengan

microcomputer sehingga keluaran grafis hasil tes serta data uji dapat diperoleh dan

disimpan. Spesimen dilakukan uji tarik dengan beban awal sekitar 50 N, dijepit dengan

dua gasket untuk menghindari lentur selama pengujian. Uji tarik dilakukan pada loading

rate 5 mm/menit. Spesimen uji tarik menggunakan standar ASTM E 8–04 dengan ukuran

seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3 Tensile Test specimen, Spesimen hasil las dan FE

Modeling.

Gambar 2.3. Tensile Test spesimen bentuk Dog bone, b). Tensile Test spesimen dengan

radius R= 5 mm, c). Spesimen Shear test untuk hasil las serta d).Finite Elemen Modeling

untuk tensile test specimen logam induk (base metal)

3. Model Numerik, Indentifikasi dan Hasil Prediksi sifat Plastik Spotweld Joint

Sifat Plastik Material Model elemen hingga indentasi Vickers dirancang dengan

menggunakan piranti komersial ABAQUS komersial. Dalam penelitian ini indentor Vickers

disimulasikan berbentuk piramida dengan dasar persegi dan sudut 136oantara sisi muka

yang berlawanan Konsep ditambah dengan pemodelan elemen hingga (FE) telah berhasil

digunakan dalam menganalisis indentor tajam di mana regangan dan teganganrepresentatif

didefinisikan dengan baik dengan menggunakan sudut indentor tetap. Dalam kasus ini,

hubungan yang dihasilkan antara parameter material dan kurva P-hakhirnya dapat

digunakan untuk mengestimasi kekerasan dari parameter bahan.

a)

b)

.

c).

d).

Seminar Nasional Mesin dan Industri (SNMI X) 2016 Riset Multidisiplin untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional

Jakarta, 21-22 April 2016

TM-218

Gambar 3.1. Diagram alir proses pengembangan modeling, dan prediksi material

konstitutif untuk base metal, HAZ dan nuggets

Metode untuk menentukan sifat plastik material dengan dual indenter

dikembangkan melui prediksi terbalik (inverse prediction) dengan menggunakan input

nilai kekerasan material dikenal untuk mengidentifikasi constitutive material

properties.Pada tahap pertama, model FE secara sistematik dikembangkan untuk

membentuk ruang simulasi meliputi berbagai potensi sifat material.Pada tahap berikutnya,

kurva beban yang digunakan untuk mengembangkan ruang simulasi. Pendekatan telah

dikembangkan komparatif untuk memprediksi set materi memiliki curvature indentasi

sebenarnya. Melalui data tegangan (force) vs kedalaman indentasi yang dikaitkan dengan

nilai kekerasan HV dan HRB. Simulasi dengan model yang telah tervalidasi dilakukan

pada berbagai sifat material (y: 100-900 MPa, dan n: 0.0-0.3) hubungan antara yield

stress (y), koefisien pengerasan regang (n), HV dan HRBdapat diketahui.

Gambar 3.2. Surface plot 3D sebagai model yang hasil simulasi Identifikasi Sifat Plastik

Material Dengan Dual Indenter

Seminar Nasional Mesin dan Industri (SNMI X) 2016 Riset Multidisiplin untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional

Jakarta, 21-22 April 2016

TM-219

Hasil simulasi FE Model dijelaskan pada pemetaan surface plot 3D dengan

menggunakan baja sebagai sistem model bahan diketahui berhubungan sangat baik antara

yield stress (y), koefisien pengerasan regang (n) terhadap HV ataupun HRB dengan

koefisien korelasi = 0.97 yang didekati dengan menggunakan regresi linear Non Gaussian

3D. Hubungan ini ditemukan mengikuti persamaan:

σy = 91.34E+09 [(

) (

) ] (1)

σy = 828.5 [(

) (

) ] (2)

Model matematis yang berasal dari pemetaan surface plot 3D sebagai model yang

hasil simulasi kemudian digunakan untuk memprediksi parameter material. Prediksi hasil

ganda indentor FE Modeling dengan input nilai kekerasan indenter ganda yang dipilih

terhadap sifat plastis (ditunjukkan sebagai yield stress (y), koefisien pengerasan regang

(n)) ditampilkan dalam tabel

Tabel 3.1. Tipikal nilai hasil eksperiman Baja karbon untuk HV dan HRB dibandingakan

dengan nilai hasil prediksi menggunakan dual indenter

Gambar 3.3. Finite Elemen modeling untuk spot weld dan hasil prediksi sifat plastis untuk

Nugget, HAZ dan logam induk (base metal)

Seminar Nasional Mesin dan Industri (SNMI X) 2016 Riset Multidisiplin untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional

Jakarta, 21-22 April 2016

TM-220

Identifikasi Sifat Plastik Material Dengan Dual Indenter melalui FE model indentor

tajam (Vickers) dan indentor tumpul (indentor Bulat) telah dikembangkan. Metode yang

dikembangkan telah meletakkan dasar yang baik terhadap tujuan akhir dari penelitian ini

dalam membangun efek parameter pengelasan pada sifat statis dan dinamis las titik (spot

welding) sistem bahan yang berbeda.

4. Kesimpulan

Metode yang dikembangkan telah meletakkan dasar yang baik terhadap tujuan

akhir dari penelitian ini dalam membangun efek parameter pengelasan pada sifat statis dan

dinamis las titik (spot welding) sistem bahan yang berbeda. Metode inverse menggunakan

pendekatan numeric terhadap nilai konstitutif material berdasarkan indentasi statis telah

dikembangkan dan divalidasi. Evaluasi berdasarkan data eksperimen numerik

menunjukkan kesamaan yang akurat dengan pendekatan kurva lindentasi terus menerus.

Pendekatan yang dikembangkan telah berhasil digunakan untuk mengkarakterisasi sifat

plastik zona yang berbeda pada hasil las spot welding. (nuggets = 160 MPa, n= 0.12,

HAZ = 480 MPa, n= 0.14, Base = 308.03 MPa, n= 0.17) Parameter bahan plastik

ini digunakan dalam pemodelan finite element untuk deformasi tarik geser sambungan las

spot welding dan menunjukkan hubungan yang baik dengan hasil eksperimen. Model FE

divalidasi yang selanjutnya digunakan untuk memprediksi pengaruh ukuran nugget dan

ketebalan lembaran logam pada kekuatan sambungan las

Daftar Pustaka

1. Aslanlar S.,et al.,2008.Welding time effect on mechanical properties of automotive

sheets in electrical RSW,Materials & design, vol29, 7, pg 1427 1431.

2. Hou Z., et al., 2007. Finite element analysis for the mechanical features of RSW

process, Journal of materials and Processing Technology, 185, 1-3, 160-165

3. Rahman M.M.,et al., 2008. An Investigation into the effects of spot diameter and

sheets thickness on fatigue life of spot welded structure based on FEA, Research

Journal of Applied Science, 3(1):10-15

4. Dao M., Chollacoop N., Van Vliet K. J., Venkatesh T. A. and Suresh S. (2001).

Computational modelling of the forward and reverse problems in instrumented

sharp indentation, Acta Materialia, Vol. 49, pp. 3899–3918

5. Cao Y. P., Lu J. (2004) A new method to extract the plastic properties of metal

materials from an instrumented spherical indentation loading curve, Acta

Materialia, 52, 4023–4032

6. Budiarsa.I N., 2013 Indentation Size Effect (ISE) of Vickers hardness in steels:

correlation with H/E, Applied Mechanics and Materials Vol. 391 pp 23-28

7. Swaddiwudhipong S., Tho K. K. , Liu Z. S. and Zeng K.. (2005). Material

characterisation based on dual indenters, International Journal of Solids and

Structures, Vol. 42, pp. 69-83

8. Bucaille J. L., Stauss S., Felder E. and Michler J. (2003).Determination of plastic

properties of metals by instrumented indentation using different sharp indenters,

Acta Materialia, Vol. 51, pp. 1663–1678.