PENGARUH VARIASI TOOL TILT ANGLE DAN TOOL ROTATIONAL SPEED TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIR WELDING DENGAN ANSYS CFX - UNS Institutional Repository
PENGARUH VARIASI TOOL TILT ANGLE DAN TOOL
ROTATIONAL SPEED TERHADAP DISTRIBUSITEMPERATUR PADA FRICTION STIR WELDING DENGAN
PEMODELAN ANSYS CFX
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
FAHRY ADHANI
NIM I0411018
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2017
Saya mahasiswa Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS yang bertanda tangan dibawah ini : Nama : Fahry Adhani NIM : I0411018 Judul Tugas Akhir
: Pengaruh Variasi Tool Tilt Angle dan Tool Rotational
Speed Terhadap Distibusi Temperatur Pada Friction Stir Welding Dengan Pemodelan ANSYS CFX
Dengan ini saya menyatakan bahwa tugas akhir atau skripsi yang saya susun tidak mencontoh atau melakukan plagiat dari karya tulis orang lain. Jika terbukti tugas akhir yang saya susun tersebut merupakan hasil dari plagiat dari karya orang lain maka tugas akhir yang saya susun tersebut dinyatakan batal dan gelar sarjana yang saya peroleh dengan sendirinya dibatalkan atau dicabut. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya dan apabila dikemudian hari terbukti melakukan kebohongan maka saya sanggup menanggung segala konsekuensinya.
Surakarta, 27 Juli 2017 Fahry Adhani I0411018
Saya mahasiswa Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik UNS yang bertanda tangan dibawah ini : Nama : Fahry Adhani NIM : I0411018 Judul Tugas Akhir : Pengaruh Variasi Tool Tilt Angle dan Tool Rotational
Speed Terhadap Distibusi Temperatur Pada Friction Stir Welding Dengan Pemodelan ANSYS CFX
Telah melaksanakan seminar hasil tugas akhir pada hari kamis tanggal 13 Juli 2017 dan ujian akhir pendadaran pada hari kamis tanggal 27 Juli 2017. Sebagai bukti terlampir daftar hadir seminar hasil tugas hadir.
Surakarta, 27 Juli 2017
Fahry Adhani
I0411018
PENGARUH VARIASI TOOL TILT ANGLE DAN TOOL ROTATIONAL
SPEED TERHADAP DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA FRICTION STIRWELDING DENGAN PEMODELAN ANSYS CFX
Fahry Adhani Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta,
Indonesia [email protected]
Abstrak
Paramater pengelasan dalam Friction Stir Welding seperti tool tilt angle dan tool
rotational speed sangat berpengaruh terhadap kualitas parameter pengelasan.
Pemodelan dilakukan untuk mengurangi jumlah eksperimen yang dilakukan, juga untuk mendapatkan data distribusi temperatur yang lebih akurat dan menekan biaya proses eksperimen. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh tool tilt angle dan tool rotational speed terhadap distribusi temperatur pada pemodelan FSW menggunakan software ANSYS CFX. Material yang digunakan pada tool adalah steel BOHLER K100, dan pada workpiece adalah Alumunium Aloy 2024. Variasi tool tilt yang digunakan pada penelitian ini adalah 1° hingga 4° dengan interval 1°,angle
sedangkan untuk tool rotational speed menggunakan variasi 1100, 1200, dan 1300 rpm. Pada tiap variasi didapatkan temperatur pada sisi advance selalu lebih tinggi dari pada sisi retreat. Tool tilt angle berpengaruh terhadap distribusi temperatur ditunjukkan dari lebih besarnya peningkatan distribusi temperatur pada variasi sudut kemiringan tool 3° dan 4° dibandingkan variasi kemiringan 1° dan 2°. Distribusi temperatur pada posisi awal akan meningkat seiring peningkatan kecepatan rotasi. Pada posisi tengah perbedaan besar peningkatan temperatur mengakibatkan temperatur akhir yang hampir sama pada ketiga variasi. Pada posisi akhir variasi kecepatan rotasi paling kecil memiliki temperatur yang lebih besar.
Kata kunci: Friction Stir Welding; Distribusi Temperatur; ANSYS CFX; AA2024; BOHLER K100; Sudut Kemiringan; Kecepatan Rotasi;
EFFECT OF TOOL TILT ANGLE AND TOOL ROTATIONAL SPEED ON
TEMPERATURE DISTRIBUTION IN FRICTION STIR WELDING WITH
ANSYS CFX MODELING
Fahry Adhani Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Sebelas Maret
University, Surakarta, Indonesia [email protected]
Abstract
Welding parameter, in Friction Stir Welding such as tool tilt angle and tool rotational speed had a great influence on the quality of welding parameter. Modeling had been used to reduce the number of experimental trials, and also to obtain more accurate temperature distribution data and to reduce the cost of the experimental process. This study aimed to determine the effect of tool tilt angle and tool rotational speed on temperature distribution in FSW modeling using ANSYS CFX software. The material used was steel BOHLER K100 for the tool, and Alumunium Aloy 2024 for the workpiece. At each variation, the temperature on the advance side was always higher than the retreat side. The tool tilt angle had an effect on the temperature distribution as indicated by the greater temperature distribution in the 3° and 4° angle variations compared to the 1° and 2° angle variations. Temperature distribution at the starting position will increase as the rotation speed increases. In the middle position a large difference in temperature increase results in nearly the same final temperature in all three variations. At the end position the variation of the least rotation speed has a larger temperature. Keywords: Friction Stir Welding; Temperature Distribution; ANSYS CFX; AA2024; BOHLER K100; Tool Tilt Angle; Tool Rotational Speed;
KATA PENGANTAR
Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih lagi Maha Pemurah.Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah Yang Maha Besar, karena berkat limpahan rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyusun dan menyelesaikan laporan Skripsi ini dengan baik.
Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta
Dalam penyelesaian Skripsi ini tidak mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada: 1.
Allah SWT yang telah memberikan kuasa, rahmat, berkah dan hidayah-Nya.
2. Ayah, Ibu dan seluruh keluarga penulis yang selalu mencurahkan segala doa, daya dan kemampuannya untuk penulis sehingga penulis mampu menjadi seperti sekarang ini.
3. Bapak Dominicus Danardono selaku Dosen Pembimbing I yang selalu memberikan dukungan yang begitu banyak dan memberikan solusi ketika penulis mendapatkan kesulitan.
4. Bapak Nurul Muhayat selaku Dosen Pembimbing II yang telah memberikan saran, solusi dan bersedia membantu dalam penyusunan laporan ini.
5. Bapak Bambang Kusharjanta selaku dosen Teknik Mesin yang telah memberikan arahan dan ilmu tentang Friction Stir Welding.
6. Bapak Lulus Lambang, dan Bapak Triyono selaku dewan penguji yang telah memberikan saran dan kritik yang membangun. Terima kasih banyak atas segala masukan dan kritik yang diberikan kepada penulis.
7. Semua keluarga Di Blitar yang telah memberikan doa dan dorongan semangat baik moral maupun materil kepada penulis selama pengerjaan Skripsi ini.
8. Saudara Fadillah Ardhi dan Oky Prasetya yang telah membantu dan sebagai rekan seperjuangan dalam pengerjaan Skripsi ini.
9. Seluruh rekan Teknik Mesin khususnya angkatan 2011 yang telah memberi semangat untuk menyelesaikan skripsi ini.
10. Rekan Keluarga Mahasiswa Teknik Mesin (KMTM) dan Sentra Kegiatan Islam (SKI) FT yang telah banyak memberikan kemampuan berorganisasi dan interaksi sosial.
11. Seluruh pihak yang secara langsung maupun tidak langsung yang telah memberikan bantuan dan dukungannya dalam pembuatan laporan ini yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan laporan ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran serta kritik yang dapat membangun laporan ini agar menjadi lebih baik.
Akhir kata semoga laporan ini dapat memberikan manfaat dan berguna bagi kita semua. Amin.
Surakarta, 27 Juli 2017 Penulis
DAFTAR ISI
ABSTRAK ................................................................................................................. viii
ABSTRACT ................................................................................................................... ix
KATA PENGANTAR .................................................................................................. x DAFTAR ISI............................................................................................................... xii DAFTAR TABEL ...................................................................................................... xiv
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................. xv DAFTAR RUMUS .................................................................................................. xviii
DAFTAR NOTASI ................................................................................................... xix DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................... xx BAB I PENDAHULUAN .............................................................................................
1 1.1. Latar Belakang Masalah .................................................................................
1 1.2. Perumusan Masalah ........................................................................................
3 1.3. Batasan Masalah .............................................................................................
3 1.4. Tujuan Penelitian ............................................................................................
3 1.5. Manfaat Penelitian ..........................................................................................
4 1.6. Sistematika Penulisan .....................................................................................
4 BAB II LANDASAN TEORI ......................................................................................
5 2.1. Tinjauan Pustaka .............................................................................................
5
2.2. Dasar Teori.................................................................................................... 12
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.................................................................... 17
3.1. Lokasi Penelitian........................................................................................... 17
3.2. Alat Penelitian.......................................................................................... ..... 17
3.3. Meotodologi Penelitian ................................................................................. 17
3.1.1 Parameter Pemodelan FSW............................................................... 17
3.1.2 Geometri Workpiece.......................................................................... 18
3.1.3 Geometri Tool ................................................................................... 18
3.1.4 Meshing ............................................................................................. 19
3.1.5 Kondisi Batas .................................................................................... 21
3.1.6 Metode Pengambilan Data ................................................................ 22
3.4. Validasi Data................................................................................................. 23
3.5. Diagram Alir Penelitian ................................................................................ 26
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................... 27
4.1. Data Hasil Pemodelan FSW.......................................................................... 27
4.1.1 Data variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1100 rpm .... 27
4.1.2 Data variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ... 29
4.1.3 Data variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ... 31
4.1.4 Data variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ... 33
4.1.5 Data variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ... 34
4.1.6 Data variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ... 36
4.1.7 Data variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ... 37
4.1.8 Data variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ... 39
4.1.9 Data variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ... 41
4.1.10 Data variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ... 43
4.1.11 Data variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ... 44
4.1.12 Data variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ... 46
4.2. Pembahasan Perbandingan Simulasi Variasi Sudut Kemiringan Tool ........ 48
4.3. Pembahasan Perbandingan Simulasi Variasi Kecepatan Rotasi Tool........... 53
BAB V PENUTUP...................................................................................................... 57
5.1. Kesimpulan .................................................................................................. 57
5.2. Saran ............................................................................................................. 57 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 58 LAMPIRAN ................................................................................................................ 61
DAFTAR TABEL
........................................................................Tabel 3.1. Data Properti Material AA 202418 ...........................................................
Tabel 3.2. Data Properti Material BOHLER K10019 .....................................................................................
Tabel 3.3. Urutan pengambilan data22 Tabel 3.4. Perbandingan pengukuran temperatur antara penelitian dengan Ansys ... 24
Tabel 4.1. Luas permukaan contact antara tool dan workpiece pada variasi sudut ......................................................................................................kemiringan tool
52
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Struktur makro aluminium alloy AA2024 pada welding speed konstan ................................................75 mm/min dengan variasi rotational speed
5 Gambar 2.2. Struktur makro aluminium alloy AA2024 pada rotational speed konstan 1200 rpm dengan variasi welding speed ........................................
6 .....................................................
Gambar 2.3. Tampak atas permukaan hasil pengelasan7
o
Gambar 2.4. Struktur mikro aluminium alloy AA2014 pada tilt angle 0 hinggao .............................................................................................................
dengam 3
7
o
Gambar 2.5. Cacat hasil lasan aluminium alloy AA2014 pada tilt angle 0 hinggao .............................................................................................................
dengam 3
8 Gambar 2.6. Grafik kenaikan suhu pengelasan fungsi sudut kemiringan tool pada .......................................................................................................... sisi advance
9 Gambar 2.7. Grafik kenaikan suhu pengelasan fungsi sudut kemiringan tool pada sisi retreat .............................................................................................................
9 ......................
Gambar 2.8. Gambar permukan dan lubang keluaran hasil pengelasan10 ............................................................................
Gambar 2.9. Gambar pengamatan mikro11 ...........................................................................
Gambar 2.10. Gambar pengamatan makro11 Gambar 2.11. Skema FSW .......................................................................................................
13 ..................................................................................
Gambar 2.12. Proses pengelasan FSW14 .........................................
Gambar 2.13. Skema distribusi temperatur pada proses FSW15 ..............................................................................
Gambar 2.14. Skema perpindahan panas15 Gambar 3.1. Geometri workpiece .........................................................................................
18 Gambar 3.2. Geometri tool ....................................................................................................
19 ..............................................................................
Gambar 3.3. Pemodelan meshing FSW20 ................................................
Gambar 3.4. Skala kualitas mesh berdasarkan skewness20 ......................................
Gambar 3.5. Domain pemodelan FSW dengan ANSYS CFX21 Gambar 3.6. Titik pengambilan data distribusi temperatur ............................................
22 ......................................................
Gambar 3.7. Geometri workpiece, (b) Geometri tool23 Gambar 3.8. Kondisi batas pada Ansys CFX ....................................................................
24 Gambar 3.9. Grafik perbandingan data distribusi temperatur antara Su dkk (2014) dengan Ansys ....................................................................................................
25 ....................................................................................
Gambar 3.10. Diagram alir penelitian26
Gambar 4.1. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ...................................................................................35 Gambar 4.11. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ...................................................................................
41 Gambar 4.18. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ..................................................................
39 Gambar 4.17. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ...................................................................................
39 Gambar 4.16. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ..................................................................
38 Gambar 4.15. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ...................................................................................
37 Gambar 4.14. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ..................................................................
36 Gambar 4.13. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 3° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ...................................................................................
36 Gambar 4.12. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ..................................................................
34 Gambar 4.10. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ..................................................................
27 Gambar 4.2. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ..................................................................
33 Gambar 4.9. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ...................................................................................
33 Gambar 4.8. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ..................................................................
31 Gambar 4.7. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 2° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ...................................................................................
31 Gambar 4.6. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ..................................................................
29 Gambar 4.5. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ...................................................................................
29 Gambar 4.4. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ..................................................................
27 Gambar 4.3. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 1° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ...................................................................................
41
Gambar 4.19. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ...................................................................................49 Gambar 4.29. Metode pemasukan tool ke workpiece oleh Muhayat ........................
54 Gambar 4.35. Kontur distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi tengah.....................................................
53 Gambar 4.34. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi akhir .......................................................
53 Gambar 4.33. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi tengah.....................................................
52 Gambar 4.32. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi kecepatan rotasi pada posisi awal ........................................................
51 Gambar 4.31. Luas permukaan contact antara tool dan workpiece pada sudut kemiringan tool : (a) 1°, (b) 2°, (c) 3°, (d) 4° .....................................
51 Gambar 4.30. Metode pemasukan tool ke workpiece pada penelitian ini .................
Gambar 4.28. Kontur distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi sudut kemiringan tool pada posisi tengah ....................................................43 Gambar 4.20. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1100 rpm ..................................................................
Gambar 4.27. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi sudut kemiringan tool pada posisi akhir ....................................................... 49Gambar 4.26. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi sudut kemiringan tool pada posisi tengah .................................................... 4846 Gambar 4.25. Grafik distribusi temperatur permodelan FSW dengan variasi sudut kemiringan tool pada posisi awal ....................................................... 48
46 Gambar 4.24. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ..................................................................
45 Gambar 4.23. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1300 rpm ...................................................................................
44 Gambar 4.22. Kontur distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ..................................................................
43 Gambar 4.21. Grafik distribusi temperatur variasi sudut kemiringan 4° dan kecepatan rotasi 1200 rpm ...................................................................................
54
DAFTAR RUMUS
Rumus 2.1. Panas yang diterima Workpiece ..................................................................
15 Rumus 2.2. Perpindahan panas konveksi permukaan atas workpiece .....................
16 Rumus 2.3. Perpindahan panas konveksi permukaan bawah workpiece .................
16 Rumus 2.4. Perpindahan panas konveksi permukaan samping workpiece sisi advance ............................................................................................................
16 Rumus 2.5. Perpindahan panas konveksi permukaan samping workpiece sisi
retreat ...............................................................................................................
16 Rumus 3.1 Nilai error temperatur ...................................................................................
24
- 1
A = Konstanta (s
) Cp = Kapasitas panas (J/kg K) h = Koefisien konveksi (W/m
2 K)
m = Massa ( kg) q = Perpindahan panas konveksi (W/m
2
) Q = Energi panas (J) T = Temperatur (K) T
a
= Temperatur sekitar (K)