Tugas Review Jurnal Teknologi Pengelasan

Tugas Review JurnalTEKNOLOGI PENGELASAN

Perbandingan Konsumsi Energi dan Pengaruh pada LingkunganFSW dan GMAW

Disusun Oleh :Fahry AdhaniI0411018

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SEBELAS MARETSURAKARTA2015

Comparis on of energy consumption and environmental impact of friction stir welding and gas metal arc welding for aluminumAbstractSalah satu keuntungan dari friction stir welding (FSW) adalah berkurangnya konsumsi energi yang digunakan dibandingkan dengan proses arc welding atau las busur. Keuntungan dalam konsumsi energi ini telah dibuktikan melalui analisa percobaan. Namun, analisis pengukuran energi secara kuantitas selama proses pengelasan dan bagaimana perbandingannya belum dilakukan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membandingkan secara kuantitatif konsumsi energi yang digunakan pada pengelasan penetrasi penuh pada benda kerja aluminium 6061-T6 dengan mengunakan proses FSW dan gas metal arc welding (GMAW). Ketebalan benda kerja untuk kedua proses pengelasan yang digunakan sebesar 5 mm untuk FSW dan 7,1 mm untuk GMAW yang dipilih karena pada ketebalan tersebut kedua jenis las memiliki gaya tarik maksimum yang mirip pada titik gabungan lasan ketik diuji tarik. Didapatkan bahwa dengan penghematan yang lebih besar dan daya tarik yang lebih kuat didapatkan pada FSW. Telah dilakukan pengukuran energi yang digunakan pada sebelum, setelah, dan saat proses pengelasan. Kemudian, life cycle assessment (LCA) digunakan untuk menentukan dan membandingkan dampak pengelasan menggunakan FSW dan GMAW pada lingkungan. Didapatkan hasil bahwa pengelasan menggunakan FSW menghabiskan energi 42% lebih sedikit dibandingkan dengan GMAW dan menghabiskan material sekitar 10% lebih sedikit pada gaya tarik maksimum yang sama. Hal ini menyebabkan efek rumah kaca yang dihasilkan FSW sekitar 31% lebih kecil dibandingkan dengan GMAW. Konsumsi energi pada sebelum, setelah, dan saat proses pengelasan berpengaruh pada penghematan energi secara keseluruhan.TujuanTujuan dari penelitian ini adalah untuk membandingkan secara kuantitatif konsumsi energi dan dampak lingkungan pada penetrasi penuh pengelasan aluminium 6061-T6 dengan menggunkan FSW dan GMAW. Energi yang dikonsumsi untuk proses sebelum dan setelah pengelasan yang terlibat dalam proses penggabungan menggunakan lasan juga diperhitungkan. Pendekatan penghitungan life cycle assessment (LCA) digunakan untuk menentukan dan membandingkan dampak terhadap lingkungan dari FSW dan GMAW

Landasan TeoriFriction Stir Welding (FSW)Diciptakan oleh Wayne Thomas di The Welding Institute (TWI) pada tahun 1991. FSW adalah proses penggabungan logam di mana dua atau lebih komponen dideformasi plastis dan digabungankan secara mekanis dengan menggunakan tekanan mekanik pada temperatur tinggi. Gabungan ini diciptakan di bawah suhu pemadatan dari benda kerja, yang membuat FSW merupakan proses pengelasan dalam keadaan padat. Gambar 1 menunjukkan skema dari proses FSW untuk butt welding. Proses ini menggunakan pin dan shoulder berputar yang pada prosesnya tidak memakan benda kerja. Pin FSW di tekankan kebawah kearah benda kerja. Setelah pin benar-benar masuk ke dalam benda kerja dan shoulder menyentuh permukaan benda kerja, alat ini bergeser/berjalan sepanjang garis pertemuan dua benda kerja yang digabungkan (butt welding). Setelah sampai ujung benda kerja, alat ditarik ke atas. Awalnya, panas dihasilkan akibat gesekan antara alat dan benda kerja yang mengakibatkan deformasi plastik pada benda kerja induk. Kemudian, benda kerja mengalami deformasi plastis di zona putar pin, panas dihasilkan oleh gesekan dan kemudian panas menghilag karena deformasi plastis. Material yang telah terdeformasi plastis tercampur dan kemudian menggabung setelah dilalui oleh pin FSW sebagai proses penggabungan logam diakui pada dunia industrial sebagai pengelasan yang memiliki keunggulan lebih baik pada segi kualitas hasil lasan dengan biaya yang lebih murah. Sekarang ini kebanyakan penggunaan FSW adalah pada paduan aluminium dan magnesium. Namun, penerapan FSW untuk bahan berbeda dan pada paduan dengan suhu lebur yang lebih tinggi (misalnya paduan besi) mulai meningkat.

Gas logam arc welding (GMAW)Gas metal arc welding (GMAW) dikembangkan pada tahun 1950-an. Pengelasan ini sebelumnya dikenal sebagai pengelasan metal inert gas (MIG). Pada pengelasan ini terjadi proses pelelehan dan pemadatan kembali benda kerja yang kemudian mengakibatkan penggabungan ketika telah selesai memadat kembali. Dalam GMAW, panas yang dibutuhkan untuk melelehkan benda kerja diperoleh dari energi listrik. Selama pengelasan, kawat elektroda digunakan untuk meyetabilkan busur dan mencair dalam proses pegelasan sebagai bahan pengisi kawah lasan. Kawat elektroda pengisi terus diberikan melalui nozzle. Daerah lasan / kawah lasan dilindungi dengan baik oleh gas pelindung inert seperti argon, helium, karbon dioksida atau berbagai campuran gas lainnya. Gambar. 2 menunjukkan skema dari proses GMAW. GMAW secara luas digunakan dalam industri fabrikasi logam dan cocok untuk pengelasan logam besi dan logam bukan besi.

Konsumsi dan Proses Emisi Energi Diyakini dalam komunitas pengelasan (penelitian dan industri) bahwa lebih sedikit energi yang dikonsumsi selama FSW dibandingkan dengan metode pengelasan lain Hal ini disebabkan lebih rendahnya suhu yang dicapai selama FSW dan sifat solid-state dari proses pengelasan, atau dengan kata lain tidak ada pencairan atau pelelehan pada titik lasan pada benda kerja. Lakshminarayanan et al. memperkirakan input panas untuk GMAW dan tungsten gas arc welding (GTAW) dan membandingkannya dengan input panas untuk FSW. Pada proses ini digunakan plat alumunium 6061 dengan ketebalan 6 mm yang digabungkan dengan posisi penggabungan sisi atau butt joint. Pengukuran hanya dilakukan pada input panas ketika proses pengelasan berlangsung, sedangkan pada sebelum dan sesudah pengelasan tidak diperhitungkan. Input panas untuk FSW diperhitungkan oleh Heurtier et al. Didapatkan bahwa Input panas untuk GMAW dan GTAW 2 dan 1,5 kali input panas untuk FSW. Lakshminarayanan et al. juga menemukan bahwa kekuatan tarik hasil pengelasan FSW 34% dan 15% lebih besar dari pada hasil pengelasan GMAW dan GTAW.Prasad dan Prasanna mempelajari kekerasan dan struktur mikro pada material hasil las pada FSW dan GMAW. Terungkap bahwa heat affected zone (HAZ) atau daerah terpengaruh panas pada hasil pengelasan FSW lebih sempit dari pada GMAW, yang merupakan hasil dari input panas FSW yang lebih rendah dari pada GMAW.Pengaruh lain dari rendahnya suhu pengelasan FSW adalah berakibat pada penggunaan sumber daya, konsumsi energi, emisi, bahaya kesehatan dan dampak lingkungan yang lebih rendah dibandingkan dengan proses pengelasan fusi (misalnya, GMAW, GTAW, SMAW, dll). Balasubramanian menyatakan bahwa lebih dari 10.000.000 pekerja di seluruh dunia bekerja sebagai tukang las sebagai pekerjaan utamanya dan pekerja dengan jumlah yang lebih tinggi melakukan pengelasan sesekali sebagai bagian dari pekerjaan mereka. Gangguan kesehatan yang umum pada pekerja las penuh karena emisi las meliputi: iritasi mata, hidung dan tenggorokan, edema paru, dan penyakit Parkinson. Bahaya kesehatan akibat proses pengelasan terutama disebabkan oleh emisi partikulat di zona pernapasan tukang las. Pengaruh partikulat terhadap tubuh tukang las bergantung pada ukuran partikulat tersebut. Oleh karena itu, partikulat dikategorikan sesuai dengan ukuran maksimalnya dalam m. Pfefferkorn et al. menemukan bahwa FSW menyebabkan emisi rata-rata PM 2.5 partikulat dari 0,018-0,029 mg/m3 untuk Al 6061-T6 dan 0,015-0,022 mg/m3 untuk Al 5083-H111. Cole et al. menganalisis tingkat partikulat PM 5 untuk GMAW Al 6061 di daerah pernapasan tukang las dan menemukan rata-rata 12 mg/m3 untuk pengelasan dengan kawat las Al 4043 dan 14,1 mg/m3 untuk kawat las Al 5356. Matczak dan Gromiec menganalisa emisi partikulat PM 0,8 pada pengelasan Al 5083 pada industri pengelasan. Didapatkan bahwa, emisi rata-rata selama 8 jam kerja adalah 1 mg/m3 dengan maksimal 3,6 mg/m3. Hasil ini menunjukkan bahwa emisi partikulat FSW dari aluminium lebih kecil dari GMAW, yang akan mengakibatkan penurunan secara signifikan kebutuhan terhadap penanganan dan filtrasi udara.Dawood et al. mengukur sifat mekanik dan emisi gas dari FSW dan GMAW dari alumunium 1030 setebal 3 mm. Emisi karbon monoksida dan karbon dioksida dari GMAW adalah sekitar 3,7 dan 1,6 kali lebih besar dari emisi FSW. Disimpulkan bahwa FSW relatif lebih ramah lingkungan, dan pada tebal bahan aluminium yang sama hasil pengelasan lebih unggul dibandingkan dengan GMAW.FSW pada paduan aluminium tidak memerlukan gas pelindung atau fluks, dan tidak menggunakan bahan pengisi. Tidak ada proses persiapan sebelum pengelasan FSW. Hingga ketebalan lasan 50 mm pada FSW tidak diperlukan pembuatan champer atau persiapan ujung-ujung benda kerja lasan. Pembersihan pada ujung benda kerja tidak diperlukan untuk melakukan lasan. FSW hampir tidak memerlukan pengerjaan setelah proses pengelasan karena suhu yang lebih rendah dan kurangnya bahan pengisi yang digunakan. Satu-satunya pengerjaan setelah proses pengelasan adalah menghilangkan lubang keluar yang terbentuk ketika tool FSW ditarik kembali. Semakin rendah suhu daerah lasan mengakibatkan tidak ada atau hanya sedikit terjadi distorsi termal pada struktur, oleh karena itu tidak ada atau hanya sedikit perlakuan setelah pengelasan yang diperlukan. Kurangnya penggunaan bahan pengisi mengakibatkan permukaan las yang halus yang tidak memerlukan proses grinding atau permesinan lain. Mikrostruktur produk yang baik sebagai hasil dari FSW dan lebih sedikit proses pendinginan pada hasil lasan menghasilkan sifat mekanik yang lebih baik dari las fusi. Hal ini dapat mengurangi kebutuhan untuk perlakuan panas setalah pengelasan. Konsumsi energi yang berkaitan dengan proses sebelum, setelah, dan pada proses pengelasan FSW dan GMAW secara kualitatif ditunjukkan pada gambar 3.

Dalam industri, FSW terutama digunakan untuk pengelasan paduan aluminium dan magnesium. Pengembangan metalurgi pada paduan tool FSW telah mengakibatkan FSW dapat dilakukan pada paduan besi. Lienert et al. berhasil melakukan proses las pada AISI 1018 baja ringan menggunakan FSW dengan menggunakan tool berbasis alloy-molibdenum dan tungsten. Pengelasan ini mengalami kegagalan pada logam induk selama uji tarik, dan menunjukkan hasil dan kekuatan tarik utama sebanding dengan logam dasar. DeFalco dan Steel membahas keuntungan dalam penghematan produktivitas dan biaya industri pipa yang dapat berasal dari pengelasan pipa baja menggunakan FSW. Pengelasan logam dengan bahan berbeda seperti baja dan aluminium telah dianggap mustahil untuk tujuan komersial. Honda Motor Co, Ltd baru-baru ini mengumumkan teknologi robot yang baru dikembangkan untuk pengelasan secara terus-menerus pada baja dan aluminium berdasarkan proses FSW dan diterapkan pada produk andalannya. Teknologi ini mengurangi konsumsi listrik selama proses pengelasan sekitar 50% dibandingkan dengan GMAW.Mononen et al. melakukan perbandingan biaya FSW dan GMAW pada pengelasan panel aluminium. Perbandingan biaya didasarkan pada waktu produksi, investasi mesin, lisensi paten, bahan habis pakai dan biaya perkakas. Ditemukan bahwa biaya pengelasan GMAW didominasi oleh upah tenaga kerja dan investasi mesin dan dengan tingkat yang lebih rendah adalah biaya bahan pengisi. Biaya FSW didominasi oleh investasi mesin, lisensi paten dan pada peralatan yang digunakan. FSW akan lebih ekonomis daripada GMAW ketika volume produksi tahunan cukup besar (pada ukuran puluhan km las per tahun). Pilihan FSW dari pada GMAW dibenarkan oleh keuntungan FSW seperti distorsi rendah, kekuatan tinggi, jumlah cacat pengelasan rendah dan meningkatkan keselamatan kesehatan kerja. DeFalco memperkirakan bahwa biaya per satuan panjang untuk GMAW adalah sekitar 1,6 kali dari proses FSW. Diakui bahwa biaya modal untuk FSW lebih tinggi, namun, biaya per satuan panjang lebih rendah karena kecepatan pengelasan cepat dan biaya persiapan rendah.

Pengujian EnergiEnergy-related key performance indicators (KPI) adalah alat yang secara luas digunakan untuk menggambarkan konsumsi energi dari proses produksi manufaktur. Alat ini dapat difokuskan pada konsumsi energi, dampak pada lingkungan atau pada faktor keuangan. Biasanya, indikator normal yang digunakan, yaitu rasio antara energi dan proses. Indikator lain untuk menilai dan membandingkan proses manufaktur adalah efisiensi proses. Indikator ini menggambarkan hubungan antara energi minimum yang diperlukan untuk proses dan masukan energi total. Namun, informasi yang rinci tentang suhu dan kekuatan dalam proses harus tersedia untuk menghitung energi minimum yang dibutuhkan. Untuk perbandingan proses pengelasan, indikator umum adalah masukan energi dibagi dengan panjang las. Input energi per volume bahan yang ikut mencair juga digunakan. Konsumsi energi dapat ditentukan baik dengan data yang telah tersedia secara umum atau dengan pengukuran kekuatan dan waktu.Namun, FSW dan GMAW tidak hanya berbeda sehubungan dengan konsumsi energi. Penggunaan sumber daya yang berbeda, seperti bahan untuk elektroda, perlu dipertimbangkan. Oleh karena itu, analisa secara keseluruhan terhadap dampak pada lingkungan diperlukan. Digunakan gambaran tentang metode penilaian lingkungan. Metode yang paling umum digunakan adalah life cycle assessment (LCA) atau penilaian siklus hidup seperti yang dijelaskan dalam ISO 14040. Metode ini mengevaluasi dampak terhadap lingkungan selama siklus hidup dari suatu produk. Metode ini memiliki keterbatasan ketika menganalisa tahap tertentu pada siklus hidup produk. Analisa LCA telah diterapkan pada proses manufaktur secara umum, akan tetapi belum pada pengelasan FSW ataupun GMAW.

MetodologiLife Cycle Assessment (LCA)LCA memberikan perspektif yang sistematis mengenai dampak lingkungan dari suatu produk selama siklus hidupnya. Menurut metodologi ISO 14040, hal ini dilakukan dalam empat langkah: Tujuan dan definisi ruang lingkup, analisis persediaan siklus hidup, penilaian dampak siklus hidup dan interpretasi siklus hidup. Dengan menggambarkan tujuan dan ruang lingkup, produk dan proses dinyatakan sebagai kerangka berfikir. Definisi dasar di sini adalah unit fungsional untuk produk yang akan dianalisis. Semua energi dan materi mengalir didasarkan pada unit fungsional ini. Langkah kedua, analisis persediaan siklus hidup, termasuk penentuan input dan output dari lingkungan. Input dan output yang produk dan limbah arus, yang perlu dikaitkan dengan arus dasar yang dihasilkan dari dan ke lingkungan. Hasil inventarisasi siklus hidup yang digunakan untuk menentukan dampak lingkungan pada langkah ketiga dari studi LCA. Pada langkah akhir, hasil analisis persediaan dan dampak yang dibahas dalam rangka untuk menarik kesimpulan terhadap tujuan awal.Tujuan dari penelitian LCA ini adalah untuk menganalisis dampak lingkungan dari FSW dan GMAW saat pengelasan samping pada aluminium 6061-T6. Hasil akan membantu para peneliti dan insinyur manufaktur untuk memahami dampak lingkungan yang terkait dengan proses FSW. Oleh karena itu, potensi FSW untuk membantu kami bergerak ke arah manufaktur yang lebih maju akan diuraikan dalam penelitian ini.Ruang lingkup LCA menjelaskan sistem produk yang akan dipelajari, batas-batas sistem dan unit fungsional. Sebuah sistem produk adalah kumpulan dari unit proses yang diperlukan untuk membuat produk fungsional. Sistem produk yang akan dibandingkan dalam penelitian ini adalah benda kerja dari alumunium 6061-T6 yang dilas menggunakan FSW dan GMAW. Unit fungsional digunakan sebagai dasar untuk perbandingan antara dua sistem produk. Untuk penelitian ini didefinisikan sebagai gaya tarik maksimum yang ditahan oleh lasan. Karena perbedaan kekuatan tarik setelah pengelasan pada FSW dan GMAW, ketebalan dari benda kerja dibuat berbeda. Kriteria kedua untuk unit fungsional adalah untuk mencapai panjang las fungsional yang sama untuk kedua sistem produk. Proses FSW meninggalkan lubang keluar di mana tool ditarik dari benda kerja. Oleh karena itu, bahan awal untuk FSW lebih panjang dari panjang lasan GMAW dan lubang keluar dipotong setelah pengelasan (proses setelah pengelasan). Proses GMAW memerlukan proses sebelum pengelasan dalam hal persiapan tepi. Oleh karena itu empat unit proses dianggap sebagai berikut: proses FSW dan proses setelah pengelasan yaitu pemotongan lubang keluar adalah bagian dari sistem produk FSW; dan proses sebelum pengelasan yaitu milling bagian pinggir benda kerja dan proses GMAW adalah bagian dari sistem produk GMAW.Selain itu, diperhatikannya produksi bahan aluminium dan dampaknya terhadap lingkungan. Namun, karena ruang lingkup penelitian berfokus pada sistem produk pengelasan, proses terkait lainnya dikeluarkan dari batas sistem, seperti tahapan lain dari siklus produksi dan proses peralatan terkait. Diagram alir proses untuk kedua sistem produk menunjukkan input dan output arus yang dimodelkan (Gambar 4 dan 5).

Penyusunan siklus hidup dan penilaian dampak siklus hidup dilakukan dengan perangkat lunak openLCA dan database ecoinvent V3. Data untuk persediaan siklus hidup berasal dari data primer dan sekunder. Input ke manufaktur unit proses diukur atau dihitung. Nilai-nilai yang diukur untuk percobaan termasuk listrik, massa masukan, laju aliran gas pelindung dan waktu proses. Konsumsi listrik dan gas pelindung dihitung dengan cara ini. Konsumsi kawat elektroda dihitung dengan kecepatan pemakanan dan waktu proses. Emisi gas dari GMAW tergantung pada berbagai parameter proses. Namun tidak ada nilai referensi untuk parameter proses yang digunakan yang tersedia, oleh karena itu hal ini tidak disertakan secara kuantitatif.Data persediaan untuk proses up-stream seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4 dan 5 diperoleh dari database ecoinvent V3. Perlu dicatat bahwa proses produksi aluminium mentah di ecoinvent tidak termasuk tempering, paduan dan rolling. Efek dari produksi gas pelindung dianggap sesuai dengan nilai-nilai yang diberikan karena ecoinvent tidak menyediakan data untuk bahan ini. Dampak lingkungan untuk setiap sistem produk yang dihitung dengan menggunakan '' Alat untuk Pengurangan dan Penilaian Kimia dan Dampak Lingkungan Lainnya (Traci) '' versi 2.1 dari US Environmental Protection Agency.

Penentuan ketebalan benda kerjaSalah satu pertimbangan desain adalah gaya tarik maksimum yang dapat diterapkan selama penggunaan tanpa menyebabkan perakitan lasan mengalami kegagalan. Rakitan yang dilas dalam penelitian ini akan dianggap sebanding berdasarkan pertimbangan desain ini. Gabungan lasan FSW dan GMAW masing-masing harus mampu menahan gaya tarik maksimum identik, dalam toleransi 5%.Kekuatan tarik pada material penerima 6061-T6 (yaitu, logam dasar) diukur sebesar 310 MPa (45 ksi). Sebelum penelitian Fehrenbacher et al. menunjukkan bahwa dengan parameter pengelasan yang dipilih dalam penelitian ini FSW dari 6061-T6 menghasilkan gabungan lasan dengan kekuatan tarik rata-sata = 236 MPa (34 ksi): 76% dari kekuatan tarik logam dasar. Kekuatan tarik dari aluminium 6061-T6 GMAW lasan penggabungan pada keadaan dilas diharapkan menjadi 165 MPa (24 ksi) : 53% dari kekuatan tarik logam dasar. Karena pada proses pengelasan ini menghasilkan gabungan dengan kekuatan tarik yang berbeda, ketebalan bahan yang berbeda harus digunakan untuk menciptakan gabungan yang dapat menahan gaya tarik maksimum yang sama.FSW dianggap proses patokan dalam penelitian ini. Penetrasi penuh lasan FSW dilakukan pada sampel 6061-T6 dengan ketebalan 5 mm. Sampel uji tarik yang digunakan untuk mengukur gaya tarik maksimum memiliki lebas sebesar 25,4 mm. Oleh karena itu, gaya tarik maksimum yang dapat ditahan hasil las FSW menjadi 30 kN = (0,005 m 0,0254 m) 236 106 Pa. Dalam rangka untuk menahan 30 kN gaya tarik maksimum GMAW gabungan lasan harus memiliki ketebalan sebesar 0,0071 m = 30 kN / (0,0254 m 165 106 Pa).

Panjang dan Lebar Benda KerjaLebar benda kerja adalah 102 mm (4 in). Untuk setiap tes, dua benda kerja yang dilas dengan gabungan butt-weld untuk membuat sebuah gabungan dengan lebar 204 mm (8 in) (Gambar 6). Panjang gabungan dilas akhir adalah 152 mm (6 in) Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Pada GMAW ini berarti melakukan pengelasan sepanjang 152 mm (Gambar 6b). FSW meninggalkan lubang keluar di mana bekas ini kemudian dipotong dari benda kerja. Hal ini umum untuk memiliki benda kerja dengan panjang berlebih pada kedua ujung las atau pada '' rub-on '' dan '' run-off '' tab untuk perakitan. Dalam kedua kasus, '' tab '' atau kelebihan bahan sering dipotong setelah proses FSW. Dalam penelitian ini, 177 mm (7 in) FSW diproduksi pada benda kerja sepanjang 203 mm (8 in) yang kemudian setelah proses selesai benda kerja dipotong sebanyak 25,4 mm dari kedua ujung (Gambar 7)

Metode ExperimentalKonsumsi energi untuk semua proses diukur dengan analisa kekuatan industri yang dirancang untuk penggunaan lapangan (Fluke 435-II). Kekuatan analisa selalu terhubung dengan atau diputus dari peralatan oleh operator listrik terlatih bersertifikat dalam penggunaannya. Semua proses direkam pada video dengan tepat waktu. Waktu pemrosesan ditentukan dari replay video.

Proses Sebelum PengelasanTidak ada proses sebelum pengelasan yang diperlukan untuk benda kerja pada proses FSW. Persiapan tepi untuk benda kerja GMAW dilakukan sesuai dengan American Welding Society (AWS) standar D1.2. Sebuah alur berbentuk V dengan sudut alur 60o antara dua benda kerja diciptakan untuk GMAW (Gambar 8). Ini dilakukan dengan milling tepi setiap benda kerja pada 30o dari vertikal. Tiga pasang benda kerja (6 total) yang disiapkan untuk tiga proses las GMAW. Tabel 1 menunjukkan rincian peralatan dan parameter yang digunakan untuk proses sebelum pengelasan dan ketika proses pengelasan pada GMAW.

Proses pengelasanTiga lasan dengan penetrasi penuh digunkan pada setiap proses FSWdan GMAW. Tool FSW yang digunakan dalam percobaan terbuat dari baja H13 dengan shoulder cekung dan dengan ulir, pada pin kerucut dengan tiga tingkat. Diameter tool shoulder adalah 15 mm, probe (pin) diameter mengecil dari 7,0 mm menjadi 5,0 mm dan panjang 4,7 mm. Pada FSW hanya diperlukan satu kali jalan untuk membuat lasan setebal 5,0 mm dengan penetrasi penuh pada aluminium 6061-T6. Parameter proses yang berbeda (misalnya, kecepatan spindle dan kecepatan pemakanan pada FSW) menghasilkan variasi konsumsi energi dan kualitas las dalam hal tegangan terik. Seperti disebutkan dalam bagian Penentuan Ketebalan Benda Kerja, FSW dilakukan sesuai dengan parameter yang mengakibatkan las terkuat (Tabel 2).

GMAW dilakukan secara manual pada mode busur las dan diperlukan dua kali jalan untuk penciptaan las penetrasi penuh pada aluminium 6061-T6 dengan ketebalan 7,1 mm. Tabel 1 menunjukkan rincian peralatan yang digunakan dan proses parameter pada GMAW. Selain konsumsi energi dan waktu proses GMAW, laju aliran gas pelindung dari flow meter, melindungi tekanan gas dari pengukur tekanan, dan tegangan dan kawat laju pemakanan dari mesin las juga dicatat. Pengukuran ini memungkinkan perhitungan total volume gas pelindung dan massa bahan pengisi yang digunakan.

Proses Setelah PengelasanTidak ada proses setelah pengelasan yang diperlukan untuk hasil lasan GMAW. Seperti dijelaskan dalam Bagian Panjang dan Lebar Benda Kerja, 25,4 mm strip dibuang dari perakitan setelah FSW untuk memotong pada ujung bagian benda kerja dari gabungan lasan (Gambar 7). Diperlukan dua potongan pada setiap gabungan FSW. Penggunaan gergaji semi-otomatis adalah untuk memotong bagian-bagian ini. Tidak ada pendingin yang digunakan selama proses pemotongan. Tabel 2 menunjukkan rincian mesin yang digunakan dan parameter operasi untuk FSW. Gambar 5 menunjukkan skema dari bagian yang dipotong pada gabungan FSW.

Uji TarikSebuah mesin uji tarik dengan kapasitas hidrolik servo 90,7 kN (20 klbs) dan sel kapasitas beban yang sama (MTS model. 661.21A-03) digunakan untuk mengukur kekuatan tarik maksimum (beban puncak) untuk semua lasan. Spesimen pengujian tarik dipotong dari bagian tengah mengacu pada AWS standar D1.2. Lebar masing-masing uji tarik spesimen adalah 25,4 mm (1 in) Dan ketebalan yang sama dengan benda kerja asli, yaitu, 5 mm untuk lasan FSW dan 7,1 mm untuk lasan GMAW.

HasilPenghematan Material Bahan

Gambar. 9 dan 10 menunjukkan gaya tarik maksimum masing-masing pada tiga spesimen FSW dan GMAW. Pada kedua kelompok las (FSW dan GMAW), dua dari tiga spesimen retak di daerah terkena panas dan satu spesimen retak di daerah las. Rata-rata kekuatan tarik maksimum untuk FSW dan GMAW adalah 30,9 kN (6,8 klbs) dan 31,6 kN (7 klbs). Perbedaan antara rata-rata kekuatan tarik maksimum FSW dan GMAW sendi adalah 0,7 kN, kurang dari tingkat toleransi 5% yang ditetapkan untuk perbandingan ini. Ini membuktikan dibandingkan dengan GMAW, ketebalan benda kerja yang digunakan FSW dengan kekuatan tarik yang sama ukurannya lebih kecil. Massa awal (proses sebelum pengelasan) dua buah benda kerja dari FSW dan GMAW diukur masing-masing adalah 530 g dan 588 g (Tabel 3). Meskipun ada panjang tambahan dari benda kerja FSW karena kemudian akan dipotong lagi pada bagian akhir, ukuran ini mewakili pengurangan/penghematan bahan dari 58 g. Hal ini terkait dengan sekitar 10% pengurangan konsumsi bahan untuk FSW dibandingkan dengan GMAW. Perlu dicatat bahwa bahan yang dipotong pada bagian ujung benda kerja FSW tetap sama untuk panjang lasan yang berbeda. Oleh karena itu jika lasan sepanjang 1 mm pada aluminium 6061-T6 yang dibandingkan, bukan lasan sepanjang 152 mm, bahan yang dapat dihemat FSW akan menjadi sekitar 1.017 g (26%) dibandingkan dengan GMAW. Oleh karena itu, penghematan bahan akan lebih tinggi berbanding lurus dengan panjang las yang dilakukan pada FSW dari pada GMAW. Tabel 3 menunjukkan bahwa 130 g bahan dipotong dari ujung hasil lasan FSW bersama dan 18 g bahan untuk membuat champer pada lasan GMAW. Hal ini menunjukkan bahwa FSW mampu melakukan penghematan bahan sebesar 170 g lebih banyak dari pada GMAW untuk kriteria ukuran benda kerja dan desain yang dipilih dalam penelitian ini.

Konsumsi EnergiKonsumsi energi untuk setiap proses pembuatan dihitung dari daya listrik yang diukur sebagai fungsi waktu (Tabel 4). Tingkat daya yang terkait dengan setiap proses yang digambarkan dalam gambar 11 dan 12 ini disajikan untuk satu kali proses pada masing-masing proses untuk benda kerja tambahan.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar 11 (a), energi yang dikonsumsi sebesar 460 W pada (daya idle awal) sebelum tool FSW kontak dengan benda kerja, dan 890 W setelah tool FSW diangkat dari benda kerja (daya idle akhir). Selama periode ini, energi yang dikonsumsi untuk rotasi spindle, perputaraan tool dan fungsi standby. Fungsi standby mengkonsumsi energi pada tingkat daya standby yang diukur pada 350 W dan sudah termasuk dalam daya idle. Setelah fase idle awal, tool kontak dengan benda kerja untuk melakukan penekanan ke benda kerja. Hal ini menyebabkan peningkatan konsumsi daya dari waktu ke waktu. Kekuatan penekanan rata-rata dari waktu ke waktu adalah 1745 W. Setelah kedalaman penekanan yang diinginkan tercapai, alat dijalankan sepanjang alur lasan dan didapatkan daya FSW rata-rata 3760 W. Gambar. 11 (b) menunjukkan tingkat daya yang terkait dengan proses setelah pengelasan (pemotongan) dari FSW. Serupa dengan siklus FSW, proses pemotongan didahului dan diikuti oleh fase idle yang dihitung pada pergerakan gergaji dan pisau, dan fungsi standby. Daya idle untuk memotong adalah 760 W dan aktual daya pemotongan adalah 1225 W. Daya standby untuk peralatan pemotong didapatkan ukuran sebesar 18 W.Sistem pengelasan produk GMAW memerlukan langkah proses sebelum pengelasanya itu pembuatan alur. Hal ini dapat diperhatikan dari Gambar. 12 (a) milling juga didahului dan diikuti oleh fase idle. Tingkat daya idle selama milling adalah 500 W sebelum alat milling kontak dengan benda kerja dan 564 W setelah alat penggilingan diangkat dari benda kerja. Tingkat daya pemotongan adalah 545 W. Sejak GMAW dilakukan secara manual, tidak ada fase idle. Hal itu ditandai dengan tingkat daya hampir konstan 5303 W, kecuali puncaknya pada awal proses. Rata-rata daya pada keadaan stndby untuk peralatan las adalah 110 W. Perlu dicatat bahwa tingkat daya standby untuk peralatan FSW lebih tinggi dari peralatan GMAW. Oleh karena itu, untuk siklus produksi, hasil konsumsi energi secara keseluruhan mungkin berbeda tergantung pada periode waktu yang dihabiskan dalam mode standby. Namun, pada penelitian ini menganggap proses manufaktur hanya sebagai batas sistem. Tabel 4 menunjukkan durasi proses, rata-rata daya dan energi untuk sistem pengelasan produk pada FSW dan GMAW. Semua nilai-nilai mengacu pada perakitan las, yaitu untuk memotong, milling alur dan GMAW mengandung dua kali pengerjaan yang diperlukan untuk masing-masing sampel.Konsumsi energi untuk sistem produk ditentukan dari konsumsi setiap unit proses. Konsumsi energi rata-rata untuk sistem pengelasan produk masing-masing FSW dan GMAW adalah 175 KWS dan KWS 303. Oleh karena itu, FSW memiliki pengurangan konsumsi energi 42% dibandingkan dengan GMAW.Gambar. 13 dan 14 menunjukkan distribusi konsumsi energi untuk penggabungan las dalam penelitian ini dengan FSW dan GMAW. Nilai daya idle pada nilai-nilai ini untuk menunjukkan daya idle yang digunakan pada FSW dan GMAW yang tidak terbatas pada fase idle sebelum dan sesudah pengelasan saja, namun juga termasuk energi yang dikonsumsi selama las untuk tujuan lain selain pengelasan. Oleh karena itu, energi rotasi dan berjalannya tool FSW dan energi las GMAW mewakili energi yang digunakan dalam pengelasan gabungan pada benda kerja. Hal ini dapat diperhatikan dari Gambar. 13 bahwa 53% dari total energi (175 KWS) yang dikonsumsi selama fase rotasi dan berjalannya tool untuk FSW, yaitu sekitar 93 KWS. Kemudian, 60% dari total energi (303 KWS) yang dikonsumsi selama dua kali pengelasan untuk GMAW, yaitu sekitar 179 KWS (Gambar 14). Hal ini menunjukkan bahwa energi yang dibutuhkan untuk pengelasan pada GMAW dapat hampir dua kali apa yang dibutuhkan pada FSW. Hal ini disebabkan sifat solid-state dari FSW dan suhu yang lebih rendah yang terlibat selama proses tersebut. Hal ini menyebabkan tingkat daya keseluruhan yang lebih rendah untuk FSW dari pada GMAW. Lamanya waktu proses GMAW 75% lebih lama dari pada FSW. Perbedaan waktu proses sebanding dengan jumlah lintasan las dan juga fungsi dari parameter pengolahan yang digunakan. Pada kasus ini, GMAW memerlukan dua kali pengerjaan dan hanya satu pengerjaan FSW yang diperlukan. Untuk benda kerja tipis hanya satu pengerjaan GMAW yang diperlukan dan untuk lasan yang lebih tebal lagi jumlah pengerjaan GMAW meningkat secara signifikan, sedangkan FSW hingga ketebalan 50 mm dapat dilakukan dalam satu kali pengerjaan. Oleh karena itu, bahwa akan ada suatu titik ketebalan las atas dimana FSW akan membutuhkan waktu proses yang lebih pendek dibandingkan dengan GMAW.

Hal ini juga dapat dilihat dari Gambar. 13 bahwa 16% dari total energi yang dikonsumsi (175 KWS) untuk sistem produk FSW diperlukan untuk proses setelah pengelasan (28 KWS). Di sisi lain, 40% dari total energi yang dikonsumsi (303 KWS) pada GMAW diperlukan untuk proses sebelum pengelasan (121 KWS). Oleh karena itu, perbedaan dalam konsumsi energi antara kedua metode ini disebabkan oleh proses pengelasan dan proses pendukung.

Dampak pada LingkunganKomponen kunci dari persediaan siklus hidup untuk proses manufaktur disajikan pada Tabel 3. Terdapat scrap aluminium belum terpakai dapat dianggap sebagai pengganti 100% untuk aluminium primer. Ini berarti, menyimpang dari nilai-nilai dalam tabel 3, proses dimodelkan dengan masukan aluminium dikurangi untuk penilaian dampak siklus hidup (pendekatan substitusi). Untuk produk sistem FSW, masukan dari 530 g aluminium diperlukan. Limbah dari 130 g didaur ulang dan mengurangi aluminium primer yang diperlukan sehingga menjadi 400 g. Demikian pula, masukan bahan untuk produk sistem GMAW terdiri dari 572 g aluminium primer dan 16 g limbah aluminium daur ulang. Pendekatan pemodelan ini mengurangi dampak lingkungan dari produksi aluminium primer ketika menghitung efek pada lingkungan dari aluminium daur ulang.Dampak terhadap lingkungan dari kedua sistem produk dievaluasi sesuai dengan indikator : pengasaman, ekotoksisitas, eutrofikasi, pemanasan global, penipisan ozon dan pembentukan fotokimia ozon. Indikator ini menggambarkan berbagai jenis dampak pada lingkungan alam. Pengasaman mengacu pada efek pengasaman bahan kimia di air dan tanah dalam hal regenerasi ion hydrogen. Ekotoksisitas menjelaskan dampak buruk pada spesies yang hidup dalam ekosistem bumi. Ekotoksisitas memiliki bahaya yang setara dengan racun dari dichlorophenoxyacetic, yang merupakan herbisida. Eutrofikasi membahas dampak konsentrasi nutrisi pada ekosistem air dan darat. Pemanasan global membahas dampak iklim dan dinyatakan dalam setara emisi karbon dioksida. Penipisan ozon mengacu kerusakan lapisan ozon. Hal ini dinilai dari segi pelepasan emisi chlorofluorocarbon dengan mengacu ke arah triklorofluorometana. Pembentukan fotokimia ozon menggambarkan dampak oleh polutan yang mengoksidasi molekul organik.Hasil untuk penilaian dampak siklus hidup ditunjukkan pada tabel 5. Pada semua kategori, dampak lingkungan dari sistem produk FSW lebih rendah dari sistem produk GMAW. Pengurangan dampak lingkungan berkisar antara 23% (ekotoksisitas) ke 31% (semua indikator lain). Perbedaan kadar racun lingkungan dapat dijelaskan oleh tingkat daur ulang yang lebih tinggi dalam proses FSW sejak perlakuan pada scrap aluminium memiliki kadar racun lingkungan yang relatif lebih tinggi.

Kontribusi setiap proses untuk dampak lingkungan secara keseluruhan dari sistem produk dianalisis secara lebih rinci untuk kategori dampak pemanasan global. Tabel 6 menunjukkan perbandingan potensi pemanasan global antara sistem produk FSW dan GMAW. Total emisi CO2 ekuivalen yaitu sebanyak 6,78 kg untuk FSW dan 9,82 kg untuk sistem produk GMAW. Oleh karena itu, sistem produk FSW mengarah pada pengurangan emisi gas rumah kaca sebesar 31% dibandingkan dengan GMAW.

Bagian terbesar dari dampak ke lingkungan yang disebabkan alumunium disebabkan oleh masukan aluminium untuk benda kerja, yang merupakan 99,2% dari FSW dan 96,8% dari GMAW. Dalam sistem produk GMAW, masukan aluminium untuk kawat elektroda memiliki bagian terbesar kedua dengan 2,3%. Bagian konsumsi listrik pada dampak lingkungan sekitar 1% untuk kedua sistem produk.Perbedaan dampak lingkungan dari produksi aluminium disebabkan oleh variasi masukan massa dan bahan yang terbuang. Untuk sistem produk FSW, produksi aluminium primer menyebabkan 6.64 kg CO2 dan daur ulang yang menyebabkan 0,08 kg CO2. Untuk sistem produk GMAW, aluminium primer menyebabkan emisi CO2 9,5 kg dan daur ulang untuk 0,01 kg CO2. Jika dianggap tidak ada daur ulang, yang berarti seluruh materi akan diberikan oleh aluminium primer, akan menghasilkan 8,8 kg CO2 untuk FSW dan 9,76 kg CO2 untuk GMAW. Dampak lingkungan dari proses daur ulang dari bahan yang terbuang jauh lebih rendah dari pada dampak dari produksi aluminium primer. Oleh karena itu, tingginya bahan aluminium yang terbuang sebagai hasil dari sistem produk FSW memberikan kontribusi yang signifikan terhadap berkurangnya dampak pada lingkungan. KesimpulanKonsumsi energi diukur selama proses sebelum pengelasan, pada saat pengelasan, dan proses setelah pengelasan pada FSW dan GMAW pada aluminium 6061-T6. Dimensi benda kerja yang dipilih sedemikian rupa sehingga gaya tarik maksimum untuk gabungan yang dibuat oleh dua proses akan sama (~31 kN). Kekuatan tarik pada gabungan lasan FSW semakin tinggi sehingga memungkinkan menggunakan benda kerja tipis (tebal 5 mm), yang mengakibatkan pengurangan 10% dalam konsumsi bahan dibandingkan dengan GMAW (tebal 7,1 mm). Disimpulkan bahwa konsumsi energi secara keseluruhan untuk proses sebelum, proses sesudah, dan pada saat pengelasan oleh FSW adalah sekitar 40% lebih sedikit dari energi yang digunakan oleh GMAW. Metodologi penilaian siklus hidup (LCA) yang digunakan untuk menilai dampak lingkungan dari siklus penggabungan lasan pada kedua proses pengelasan. Ditemukan bahwa FSW mengakibatkan emisi rumah kaca di sekitar 31% lebih sedikit dibandingkan dengan GMAW. Hal ini diterima dengan baik dan selanjutnya diverifikasi pada penelitiaan ini bahwa energi yang dibutuhkan untuk penggabungan lasan pada FSW lebih sedikit dibandingkan dengan GMAW. Hal ini disebabkan sifat solidstate dari proses FSW, yaitu suhu proses tetap di bawah suhu solidus paduan. Penelitian ini juga mengamati bahwa proses sebelum dan sesudah pengelasan yang terjadi pada FSW mengkonsumsi lebih sedikit energi.Diprediksi bahwa semakin panjang dan tebal benda kerja dan lasan yang dilakukan akan mengakibatkan perbedaan total konsumsi energi dan dampak lingkungan dari FSW dibandingkan dengan GMAW akan semakin bertambah pula. Hal ini dikarenakan proses sebelum pengelasan (pemotongan alur) terkait dengan GMAW akan berbanding lurus dengan panjang dan ketebalan las, sedangkan pemotongan pada proses setelah pengelasan setiap akhir las FSW tetap konstan. Sebuah GMAW penetrasi penuh pada aluminium dengan ketebalan 7,1 mm diperlukan dua kali pengelasan, sedangkan FSW menghasilkan penetrasi penuh pada ketrbalan 5 mm hanya dalam satu kali proses. Jumlah proses GMAW akan meningkat dengan menungkatnya kedalaman / ketebalan las, sedangkan FSW dapat mengelas aluminium hingga ketebalan 50 mm hanya dalam satu kali proses.