PENDAHULUAN umumnya baja tahan karat merupakan 103

KARAKTERISTIK SAMBUNGAN LAS BAJA TAHAN KARATCALON WADAH LlMBAH AKTIVITAS TINGGI

Aisyah, Herlan MartonoPusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif -BATAN

ABSTRAKKARAKTERISTIK SAMBUNGAN LAS BAJA TAHAN KARAT CALON WADAH LlMBAH AKTIVITAS TINGGI.

Limbah aktivitas tinggi adalah limbah yang berasal dari proses daur ulang bahan bakar bekas reaktor. Limbah inidivitrifikasi dengan gelas borosilikat. Gelas limbah hasil vitrifikasi dimasukkan ke dalam wadah yang terbuat dari bajatahan karat austenitik. Wadahlimbah mengalami pengelasan pad a saat pembuatan ataupun pads saat pemakaiannya.Telah dipelajari karakteristik sambungan las yang merupakan fungsi dari arus pengelasan. Kekuatan sambungan lasdiuji sifat mekaniknya yaitu uji tarik dan uji keras. Struktur mikro daerah HAZ diamati menggunakan mikroskop optik.Hasil penelitian menunjukkan bahwa makin besar arus pengelasan memberikan sambungan las yang makin kuatdengan kuat tarik yang meningkat. Arus pengelasan yang optimum adalah pada 110 A. Berdasarkan hasil uji kerasdiperoleh bahwa panjang daerah HAZ sekitar 14 mm. Daerah HAZ mempunyai kekerasan yang paling tinggi karenapad a daerah ini tumbuh endapan karbida krom. Untuk pemakaian sebagai bahan wadah limbah aktivitas tinggi prosesPWHT akan memberikan hasil yang lebih baik.

ABSTRACTTHE CARACTERISTICS OF WELDING JOINT ON STAINLESS STEEL AS A CANDIDATE OF HIGH LEVEL

WASTE CANISTER. High level waste is the waste generated from reprocessing of the spent fuels. This type of waste isvitrified with borosilicate glass to become waste-glass. This waste glass is contained in a canister made of austeniticstainless steel. The canister material is subjected to be welded during fabrication and utilization. The character of thewelding joint that is the function of the electrical current used in the welding process have been studied. The strength ofthe joint is tested mechnically i.e.: the tensile strength and hardness test. The result shows that the higher the currentused in welding process, the better the strength of the joint and as well the tensile strength. The optimum current is110A. From the hardness test, it was figured that the length of the HAZ area is 14mm. The material in HAZ area is thehardest compared to the others, it is due to the appearance of the cromme-carbide. The welding of the canister withsuch a condition, during fabrication as well as during the utilization of the canister for the container of the high levelwaste with the PWHT process gives better result.

PENDAHULUANIndustri nuklir menimbulkan sejumlah

limbah sebagai hasil samping. Limbah inimemerlukan pengelolaan untuk menjaminkeselamatan masyarakat dan lingkungan.Salah satu jenis limbah nuklir tersebutadalah limbah cair aktivitas tinggi (LCA T).Limbah ini ditimbulkan dari ekstraksi sikluspertama proses daur ulang bahan bakarreaktor bekas. Limbah ini divitrifikasi dengangelas borosilikat. Gelas limbah hasilvitrifikasi ini kemudian dimasukkan ke dalamwadah yang terbuat dari baja tahan karataustenitik. Wadah ini berfungsi selain untukmempermudah pengangkatan dan peng-angkutan juga untuk mengisolasi limbahagar tidak kontak dengan air tanah. Wadahlimbah nantinya disimpan abadi padaformasi geologi dalam pada kedalamanantara 500 -1000 meter[1].

Wadah limbah dapat dibuat dari pelatbaja tahan karat austenitik yang dibentukdan disambung dengan cara dilas. Dalampemakaiannya wadah ini harus mampumenahan beban tarik, yaitu pada sa atpengangkutan ataupun beban tumpuk padasa at penyimpanan[2]. Oleh karena itusambungan lag pada wadah harus

mempunyai karakteristik yang sarna denganbahan induknya.

Untuk pemakaian tertentu pad aumumnya baja tahan karat merupakanpilihan utama. Hal ini karena baja tahankarat mempunyai beberapa kelebihan antaralain tidak bersifat magnetik dan mempunyaikeuletan yang baik pad a suhu yang relatifrendah. Disamping itu pad a medium-medium yang korosif baja ini dapat menjagaketahanan korosinya dan bahkan dapatmemelihara aspek keindahan permukaan-nya. Hal ini karena adanya lapisan kromoksida yang selalu terbentuk pad apermukaannya. Lapisan ini dapat rusakapabila baja ini mengalami perlakuan panaspada saat pemakaian. Pemakaian padasuhu sensitisasi (500-8250C) akanmengakibatkan krom berdifusi ke batas butirmembentuk endapan Cr23C6. Adanyaendapan ini menyebabkan terjadinya daerahdeplesi krom sehingga lapisan pelindungkrom oksida tidak bisa terbentuk secarakontinyu di permukaan. Hal ini menyebab-kan bahan terserang korosi batas butir3].

Las busur TIG (Tungsten Inert Gas)adalah termasuk las listrik yangmenggunakan gas inert sebagai pelindung

103

Larutan etsa yang digunakan adalah larutanasam oksalat 10%.

Metode

PengelasanDua potong pelat baja A/SI 304 dengan

ukuran masing-masing 200x125x5 mmdisambung dengan cara dilas dengan carapenyambungan seperti disajikan pad aGambar 1. Pengelasan dilakukan denganmesin las TIG dengan gas pelindung argon.Besarnya arus yang digunakan dalampenelitian ini divariasikan, yaitu 60; 75; 80;90; 100; 110; 120; 130 dan 140A. Bahanpengisi yang digunakan adalah jenis OKAUTROD 16.10 yang berupa kawat dengandiameter 3,2 mm dengan komposisiC;O,02%; Si:0,40%; Mn:1,80%; Cr:20%dan Ni:10%.

Uji TarikPengujian tarik dilakukan dengan

maksud untuk mendapatkan kuat tarikbahan. Kekuatan tarik merupakankemampuan dari sambungan lag untukmenerima beban tarik yang besarnyadidasarkan pada hasil bagi antara gayamaksimum dan luas penampang mula [8].

~O'u = Ao (1)

daerah lag. Pengelasan akan terjadi jika adaaliran busur listrik antara elektrode tungstendengan benda kerja. Dalam lag TIGelektrode tungsten tidak turut mencair danjika memerlukan logam pengisi dapatmenggunakan filler. Gas inert yangdigunakan pada umumnya adalah argonatau helium yang berfungsi untukmencegah oksigen atau nitrogen menyusupke dalam cairan lag yang dapatmenimbulkan porositas atau slag[4].

Dalam proses penyambungan logamdengan cara pengelasan, diharapkan dapatdiperoleh sambungan yang kuat, sehinggapada waktu pengujian tarik tidak putus padasambungan lasnya namun pada logaminduk atau HAl (Heat Affected Zone). HeatAffected Zone yang biasa disebut daerahterpengaruh panas adalah daerah denganjarak tertentu dari sambungan lag yangmengalami pemanasan akibat adanyapanas dari pengelasan. Pada daerah HAlinilah endapan Cr23C6 terbentuk. Luasnyadaerah HAl merupakan fungsi daribeberapa faktor. Oleh karena dalampengelasan ada beberapa faktor yang perludiperhatikan yaitu[S.6] :1. Pemilihan logam pengisi2. Penentuan parameter lag (arus,

tegangan, kecepatan pengelasan,kecepatan pengumpanan bahan

pengisi dll.)3. Penentuan penggunaan gas pelindung.

Pengelasan baja tahan karat austenitikAISI 304 sering menghasilkan kerapuhan didaerah HAZ yang mengakibatkan patahan didaerah HAZ. Oleh karena itu penelitian inibertujuan untuk mengetahui sejauh manapengaruh arus pengelasan terhadapkualitas hasil sambungan lag. Kualitas hasilsambungan lag diuji dari sifat mekaniknyayaitu kuat tarik dan kekerasannya. Hasilpengujian sifat mekanik ini dikonfirmasikandengan struktur mikronya.

dimana,au :Pu :Ao :

kekuatan

tarik (kg/mm1beban maksimum (kg)luas

permukaan mula (mm)

TATA KERJA

Benda uji untuk keperluan pengujian inidibuat berdasarkan standar JIS 23121dengan bentuk seperti disajikan padaGambar 2. Pengujian dilakukan denganmesin uji tarik dengan cara menarik bendauji sampai patah. Pad a saat patah bisadiketahui berapa beban maksimum untukkemudian dihitung kuat tariknyaberdasarkan persamaan (1).

BahanBahan yang digunakan berupa pelat

baja tahan karat AIS! 304 dengan ukuran200x125x5 mm dengan komposisi C:0,05%;Si:0,370%; Mn:1,340%; P:O,O29%;S:O,03~o/~ Fe:71,63%; Cr:18,47% danNI:8,08 Yo .

Uji KekerasanTujuan dari uji kekerasan ini adalah

untuk memperoleh data kekerasan daribend a uji Kekerasan merupakanketahanan bahan terhadap penetrasi. Bahandengan kekerasan yang lebih tinggi akanmampu mengadakan penetrasi pad a bahan

104

yang lebih lunak. Metode yang digunakanadalah uji kekerasan vickers dengan sudutpuncak identor piramida intan 136°.Besarnya angka kekerasan dihitungberdasarkan persamaan [8] :

PHVN == 1,8544x 2d

(2)

~~

/

k~

~

Gambar 1. Penyambungan 2 buah pelat dengan pengelasan

105

dimana,HVN Hardness Vicker;;.(angka kekerasan vikers),P beban yang digunakan (20 kg),

diagonal identasi (mm)

HASIL DAN PEMBAHASANHasil penelitian yang telah dilakukan

disajikan pada Gambar 3,4 dan 5. pengaruharus pengelasan terhadap kuat tarik bahandisajikan pada Gambar 3. Dari gambartersebut tampak bahwa makin besar aruspengelasan yang digunakan akanmemberikan kuat tarik bahan yang semakintinggi. Hal ini terjadi karena pada pemakaianarus yang makin besar akan menghasilkan

panas yang cukup besarnya. Adanya panasdengan jumlah yang cukup besar ini mampumenghasilkan sambungan las yang betul-betul kuat, sehingga sewaktu dilakukanpengujian tarik bahan tidak patah padadaerah sambungan las, tetapi patah padadaerah HAZ atau pada logam induknya. Halini sesuai dengan hasil pengujian padapemakaian arus pengelasan 110Amemberikan hasil kuat tarik yang maksimumdan sewaktu pengujian benda uji patah padadaerah logam induk. Untuk pengelasandengan arus yang rendah akanmenghasilkan sambungan las yang kurangkuat dan kuat tarik yang rendah, ini ditandaidengan putusnya sambungan las sewaktupengujian tarik. Untuk pemakaian aruspengelasan yang lebih besar dari 110Amenghasilkan kuat tarik yang semakinrendah. Hal ini karena panas yangditimbulkan terlalu besar sehingga terjadipembesaran butir. Butir yang besar akanmenurunkan kekuatan tarik bahan. Bahanakan mempunyai kekuatan tarik yang tinggijika memiliki batas butir yang kecil. Butiryang kecil mampu menahan pergerakandislokasi sehingga bahan mempunyaikekuatan yang besar.

Gambar 4 menunjukkan hasil ujikekerasan bahan untuk contoh benda ujiyang dilas dengan menggunakan arus 110Ayang diukur pada setiap jarak 2mm darisumbu lag. Untuk jarak sampai dengan6mm dari sumbu las harga kekerasan akanmakin meningkat. Hal ini terjadi karenadaerah tersebut merupakan daerah HAZdimana pada daerah itu tumbuh endapanCr23C6 yang keras.

Endapan ini tumbuh pada daerah HAZkarena daerah HAZ mengalami sensitisasiakibat terkena panas pada saat pengelasan.Untuk daerah yang lebih besar dari 6mmharga kekerasan akan makin menurun. Halini karena pada daerah yang semakin jauhdari sumbu lag semakin sedikit menerima

panas sehingga kesempatan tumbuhnyaendapan Cr23C6 semakin kecil. Pada daerahdengan jarak 14-16 mm dari sumbu lagharga kekerasan sudah sarna dengan bahaninduk. .Dengan demikian daerah HAZpanjangnya sekitar 14 mm dari sumbu las.Daerah las memiliki kekerasan yang lebihbesar dari bahan induknya karena pad adaerah ini terjadi peleburan bahan yangkemudian mendingin dengan cepat,sehingga terbentuk tegangan termal yangmenghasilkan distorsi. Daerah dengandistorsi yang cukup tinggi mempunyaikekerasan yang tinggi.

Hasil pengujian struktur mikro disajikanpada Gambar 5.

Gambar 3. pengaruh Arus Pengelasan Terhadap Kuat Tarik Bahan

106

165

145

0 2 4 6 8 10 12 14

Jarak Dari Sum bu Las (m m)

16 18

'--- ,

Gambar 4. Hasil Uji Kekerasan Bahan Yang Dilas Dengan MenggunakanArus 110A Yang Diukur Pad a Setiap Jarak 2 mm

Gambar 5.A.Foto struktur mikro bahan induk

Gambar 5. B.Foto struktur mikro daerah HAZ

Gambar 5A menunjukkan gambar totostruktur mikro bahan induk sedangkanGambar 58 merupakan gambar strukturmikro daerah HAZ yang masing- masingdiamati dengan mikroskop optik. PadaGambar 58 tampak adanya garis hitamtebal yang merupakan bekas jejak endapanCr23C6. Daerah ini tampak terkorosi akibatterbentuknya daerah deplesi krom. PadaGambar 5A tampak daerah yang bersihbebas dari endapan Cr23C6. Daerah yangditumbuhi endapan karbida akan lebih kerasdan memiliki kuat tarik sedikit lebih tinggidari bahan yang bebas karbida akan tetapilebih getas dan ketahanan korosinya lebihrendah. Hal ini sesuai dengan hasilpengujian tarik bahwa semakin besar aruspengelasan akan memberikan kuat tarikyang sedikit lebih besar. Hal ini karena

adanya sumbangan kekuatan dari endapanCr23Ce. Namun demikian apabila bahandengan kondisi ini sempat kontak denganair maka bahan ini akan lebih cepat hancurkarena terse rang korosi batas butir.

KESIMPULANDari hasil penelitian yang telah

dilakukan dapat disimpulkan bahwakenaikan arus pengelasan mengakibatkannaiknya kuat tarik bahan dengansambungan lag yang cukup kuat.Pengelasan dengan arus 110Amenghasilkan sambungan lag yang terbaik.Untuk penggunaan arus pengelasan yanglebih besar dari 110A mengakibatkan butirmembesar dan kekuatan tarik menurun.Berdasarkan gambar toto struktur mikro

107

bahwa pada daerah HAZ ditumbuhiendapan Cr23CS. Berdasarkan hasil uji kerasmaka panjang daerah HAZ sekitar 14 mmdari sumbu las. Adanya endapan karbidapad a daerah HAZ akan mengakibatkanbahan terserang korosi batas butir. Jika halini dikaitkan dengan fungsi bahan sebagaiwadah limbah aktivitas tinggi yang nantinyaakan disimpan pada formasi geologi dalam,maka penggunaan bahan AISI 304 yangmemerlukan pengelasan perlu dilakukanproses PWHT (Post Weld Heat Treatment)yaitu proses perlakuan panas setelahpengelasan dengan maksud untukmenghilangkan endapan karbida yangtumbuh akibat proses pengelasan. Dengandemikian proses PWHT akanmenghilangkan daerah HAZ dan wadahLA T akan lebih aman dari serangan korosibatas butir.

.E Ir. Winduwati (BATAN)

Pertan~aan:1. Apakah yang dimaksud dengan HAZ ?2. Bagaimana cara meminimalkan daerah HAZ ?

Jawaban :1. HAZ adalah singkatan dari Heat Affected Zone artinya daerah terkena panas akibat adanya

pengelasan maka daerah yang terdekat dengan lag akan terkena panas yang merambat.Daerah inilah yang disebut HAZ.

2. Dengan cara menggunakan arus pengelasan yang kecil (optimum), atau HAZ bisadihilangkan dengan PWHT (Pose Weld Heat Treatment) yakni proses pemanasan kembalisetelah pengelasan.

.E Jr. Ayi M. (BATAN)

Pertan~aan:1. Apakah yang dimaksud dengan sensitisasi ?2. Bagaimana cara menghindarinya ?

Jawaban :1. Sensitisasi adalah peristiwa terbentuknya endapan Cr23Ce pad a batas butir dan hal inilah

yang menyebabkan terjadinya korosi batas butir.2. Cara menghindarinya adalah :

a. Melakukan Heat treatment pad a bahan yang telah tersensitisasib. Menggunakan baja tahan karat AISI304L atau 301 yang mana bahan ini dapat

menahan terbentuknya endapan Cr23Ce sehingga tidak terjadi korosi batas butir

108

.E Drs. Bahdir Johan (BATAN)

Pertan~aan:1. Apakah setiap negara rnenggunakan kriteria yang sarna untuk wadah lirnbah ?2. Bagairnana seandainya terjadi korosi wadah ?

Jawaban :1. Setiap negara mempunyai spesifikasi/kriteria sendiri-sendiri mengenai wadah limbah

aktivitas tinggi. Hal ini tergantung dari jenis matriks yang digunakan untuk mengungkunglimbah dan kondisi geologi setempat untuk disposal. Sementara ini sebagai modeldigunakan spesifikasi wadah limbah seperti yang digunakan di Jepang.

2. Seandainya terjadi korosi wadah, maka dalam hal ini limbah masih terlindungi oleh barrier

berikutnya yaitu overpack. Overpack adalah semacam selimut yang melindungi wadahlimbah yang berfungsi melindungi wadah dari kontak langsung dengan air. Bahan yang

digunakan sebagai overpack dapat mempunyai grade yang lebih tinggi dari wadah.

---0000000---

109