Panduan Ahli Pengelasan Besi Tuang: Teknik Teruji untuk Sambungan Kuat dan Tahan Lama
Pengelasan besi tuang dapat dilakukan namun menimbulkan masalah karena kandungan karbon yang tinggi. Kandungan karbon ini biasanya berkisar antara 2-4%, yang sekitar sepuluh kali lebih banyak dibandingkan sebagian besar baja. Selama proses pengelasan, karbon ini berpindah ke dalam logam las dan/atau zona terpengaruh panas, yang mengakibatkan peningkatan kerentanan/kekerasan. Hal ini berakibat pada keretakan setelah pengelasan.
Besi tuang terdiri dari besi dan karbon dengan proporsi yang bervariasi, ditambah elemen lain seperti mangan, silikon, kromium, nikel, tembaga, molibdenum, dan sebagainya untuk meningkatkan properti tertentu. Selain itu, besi tuang dapat mengandung kandungan sulfur dan fosfor yang lebih tinggi dibandingkan pengotor, sehingga membuat pengelasan tanpa keretakan menjadi sulit.
Jenis-jenis besi tuang meliputi besi tuang abu-abu, besi tuang putih, besi ducile (nodular), dan besi tuang leleh dengan variasi kelasepasan yang luas. Semua kategori besi tuang, dengan pengecualian besi putih, dianggap dapat dielas, meskipun pengelasan bisa jauh lebih sulit dibandingkan pengelasan baja karbon.
Namun, bisa sulit untuk membedakan jenis-jenis besi tuang ini tanpa analisis metalurgi terperinci. Meskipun demikian, besi tuang adalah logam tahan lama dan tahan aus yang telah digunakan selama berabad-abad.
Langkah Sebelum Pengelasan Besi Tuang
Empat langkah kunci harus dilakukan sebelum memulai untuk memastikan pengelasan besi tuang yang efektif. Langkah-langkahnya meliputi:
Menentukan Jenis Besi Tuang
Membersihkan Cetakan
Memilih Suhu Pra-Pemanasan yang Tepat
Memilih Teknik Pengelasan yang Tepat
1. Menentukan Jenis Besi Tuang
Langkah pertama dalam pengelasan jenis ini adalah mengidentifikasi jenis besi tuang apa yang Anda kerjakan. Ada banyak jenis, dan Anda tidak ingin me-las sebagian besarnya.
Besi tuang memiliki duktilitas rendah, sehingga bisa retak akibat stres termal saat dipanaskan atau pendingin dengan cepat. Ke rentakannya terhadap keretakan bergantung pada jenis/kategori besi tuang. Ini berarti Anda harus memahami jenis logam paduan yang sedang Anda kerjakan:
Besi tuang abu-abu: Ini adalah bentuk paling umum dari besi tuang. Karbon mengendap menjadi flak grafit selama pembuatan ke dalam mikrostruktur kristal pearlit atau ferrit. Ini lebih ducile dan dapat dielas dibandingkan besi tuang putih. Namun, ini tetap menjadi tantangan bagi para pengelas potensial karena flak grafit dalam besi tuang abu-abu dapat masuk ke kolam las dan menyebabkan kepelehan logam las.
Besi tuang putih: Besi tuang putih mempertahankan karbon sebagai karbida besi tanpa mengendapkannya sebagai grafit. Mikrostruktur kristal sementit sangat keras dan rapuh. Besi tuang putih umumnya dianggap tidak dapat dielas.
Besi ducile, nodular, atau leleh: Semua besi tuang ini kurang rapuh karena perbedaan mikrostruktur akibat pembuatan. Ketiganya memiliki mikrostruktur karbon bola yang dibuat oleh proses pembuatan unik mereka.
Cara termudah untuk menentukan jenis besi yang Anda kerjakan adalah dengan memeriksa spesifikasi asli. Analisis kimia dan metalografi juga dapat membantu mengidentifikasi kategori besi tuang yang Anda kerjakan.
Ada beberapa cara lain untuk membedakan paduan; besi abu-abu akan menunjukkan warna abu-abu di titik retak, sementara besi putih akan menunjukkan warna putih di sepanjang retak karena sementit yang mengandungnya. Namun, misalnya besi ducile, juga akan menunjukkan retak yang lebih putih, namun jauh lebih dapat dielas.
Besi tuang abu-abu adalah jenis besi tuang yang paling sering dielas dan haruslah satu-satunya besi tuang yang Anda coba selang kecuali Anda berpengalaman dalam mencetak atau me-lasnya. Meminta seseorang yang berpengalaman untuk membantu Anda adalah opsi lain yang baik.
2. Bersihkan Cetakan
Terlepas dari paduan, semua cetakan harus dipersiapkan dengan baik sebelum pengelasan. Saat mempersiapkan cetakan untuk pengelasan, sangat penting untuk menghilangkan semua bahan permukaan. Cetakan harus benar-benar bersih di area las. Hapus cat, lemak, minyak, dan bahan asing lainnya dari zona las. Terbaik untuk memberikan panas dengan hati-hati dan perlahan pada area las untuk waktu singkat untuk menghilangkan gas yang terperangkap di zona las logam dasar.
Teknik sederhana untuk menguji kesiapan permukaan besi tuang adalah dengan menyetor satu pasar logam las—ia akan berpori jika ada pengotor yang ada. Pass ini dapat digosok, dan proses diulang beberapa kali hingga porositas hilang.
3. Suhu Pra-Pemanasan
Semua besi tuang rentan terhadap keretakan di bawah stres. Pengontrolan panas adalah faktor tunggal paling penting dalam menghindari keretakan.
Las besi tuang memerlukan tiga langkah:
Pra-pemanasan
Input panas rendah
Pendinginan lambat
Alasan utama untuk pengontrolan panas adalah ekspansi termal. Saat logam panas, ia mengembang. Tidak ada stres yang ditimbulkan ketika seluruh objek memanas dan mengembang dengan laju yang sama, namun stres akan terbangun ketika panas terlokalisasi di zona terpengaruh panas (HZ) yang kecil.
Pemanasan terlokalisasi menyebabkan ekspansi yang dibatasi HZ dikandung oleh logam yang lebih dingin di sekitarnya. Tingkat stres yang dihasilkan bergantung pada gradien termal antara HZ dan tubuh cetakan. Dalam baja dan logam ducile lainnya, stres yang ditimbulkan oleh ekspansi dan penyeusutan yang dibatasi dihilangkan dengan meregangkan.
Sayangnya, ini dapat menyebabkan keretakan selama periode penyeusutan karena besi tuang memiliki duktilitas yang relatif rendah. Pra-pemanasan mengurangi gradien termal antara tubuh cetakan dan HZ, sehingga meminimalkan stres tarik yang ditimbulkan oleh pengelasan. Secara umum, metode pengelasan suhu lebih tinggi memerlukan suhu pra-pemanasan yang lebih tinggi.
Jika pra-pemanasan yang memadai tidak mungkin dilakukan, strategi terbaik adalah meminimalkan input panas, memilih proses pengelasan suhu rendah, dan sprei las atau kawat dengan titik leleh rendah.
Laju pendinginan adalah faktor lain yang memiliki dampak langsung pada stres yang diinduksi di las. Pendinginan cepat menyebabkan penyeusutan, yang menciptakan las yang rapuh dan mudah retak. Sebaliknya, pendinginan rendah mengurangi pengerasakan dan stres penyeusutan.
4. Teknik Pengelasan untuk Melas Besi Tuang
Secara teoritis, salah satu dari proses las busa umum seperti las busa logam manual, las busa logam inti fluks, las gas logam aktif, las busa terendam, las busa wolfram, dll. dapat digunakan, proses yang memfasilitasi pemanasan dan pendinginan lambat umumnya diutamakan.
1. Las Busa Logam Manual (MMA)
Jenis pengelasan ini, juga dikenal sebagai las busa logam dilindungi (SMAW), umumnya dianggap proses terbaik secara keseluruhan untuk pengelasan besi tuang—asalkan sprei las yang benar digunakan. Pemilihan elektroda akan tergantung pada aplikasi, kecocokan warna yang diperlukan, dan jumlah pengolahan las setelahnya.
Dua jenis elektroda utama untuk las busa logam manual adalah berbasis besi dan berbasis nikel. Elektroda berbasis besi akan menghasilkan logam las dengan martensite karbon tinggi, sehingga umumnya terbatas pada perbaikan kecil cetakan dan saat kecocokan warna diperlukan.
Elektroda legasi nikel adalah yang paling banyak digunakan, menawarkan logam las yang lebih ducile. Elektroda nikel juga dapat membantu mengurangi keretakan pra-pemanasan dan HAZ dengan menyediakan logam las dengan kekuatan lebih rendah.
Dalam semua kasus, hati-hati harus dilakukan untuk meminimalkan pelurusan logam induk. Ini akan meminimalkan pencampuran.
2. Las MAG
Las MAG umumnya dilakukan dengan konsumsi nikel. Campuran gas 80% argon dan 20% dioksida karbon akan bekerja untuk sebagian besar aplikasi. Meskipun kawat bras dapat digunakan, umumnya tidak disarankan karena logam bras akan jauh lebih lemah dibandingkan cetakan.
3. Las TIG
Las TIG dapat memberikan las yang bersih pada besi tuang namun umumnya tidak diutamakan karena karakteristik pemanasan yang sangat terlokalisasi. Seperti semua las TIG, kualitas las yang selesai sebagian besar ditentukan oleh keterampilan pengelas.
4. Las Oksi-Asetilen
Las oksiasetilen juga menggunakan elektroda, namun alih-alih busa yang dihasilkan oleh arus, palu oksiasetilen menyediakan energi untuk pengelasan. Elektroda besi tuang, dan elektroda tembaga-seng, keduanya cocok untuk las oksiasetilen besi tuang.
Hati-hati harus dilakukan untuk tidak mengoksidasi besi tuang selama pengelasan asetilen, karena ini menyebabkan kehilangan silikon dan pembentukan besi putih dalam las. Sprei las harus dilelehkan dalam kolam las cair, bukan langsung oleh nyala, untuk meminimalkan gradien suhu.
5. Las Bras
Las bras adalah metode umum untuk menyambungkan bagian besi tuang karena dampak minimal pada logam dasar itu sendiri. Sprei las menyediakan pengisi yang menempel pada permukaan besi tuang. Karena titik leleh pengisi yang lebih rendah dibandingkan besi tuang, pengisi tidak mencampur dengan besi tuang tetapi menempel pada permukaan.
Kebersihan permukaan sangat penting untuk teknik pengelasan ini karena sambungan bergantung pada kualitas pengisi yang membasahi permukaan logam dasar. Menurut Machine Design, penggunaan fluks untuk mencegah pembentukan oksida selama bras adalah umum.
Ini adalah cairan yang mempromosikan pembasahan, yang memungkinkan pengisi mengalir di atas bagian logam yang akan disambungkan. Ini juga membersihkan bagian dari oksida sehingga pengisi menempel lebih erat pada bagian logam. Selain itu, fluks digunakan dalam pengelasan untuk membersihkan permukaan logam.
Teknik Pengelasan Tanpa Pra-Pemanasan
Ukuran cetakan, atau hal lain, mungkin mewajibkan perbaikan dilakukan tanpa pra-pemanasan. Saat ini terjadi, bagian perlu dijaga agar tetap dingin, tetapi tidak dingin sekali.
Menaikkan suhu cetakan ke 100 derajat F membantu. Jika bagian berada pada mesin, mungkin dapat dijalankan selama beberapa menit untuk mendapatkan suhu ini. Jangan pernah memanaskan cetakan terlalu panas sehingga Anda tidak dapat menempatkan telanjang tangan Anda padanya.
Buat las pendek, sekitar 1 inci panjang. Peening setelah pengelasan penting dengan teknik ini. Biarkan las dan cetakan pendingin. Jangan mempercepat laju pendinginan dengan air atau udara terkompresi.
Mungkin dapat me-las di area lain dari cetakan sementara las sebelumnya pendingin. Semua krater harus diisi. Mungkin, benang las harus disetor dalam arah yang sama, dan lebih disukai bahwa ujung benang las sejajar tidak saling sejajar.
Penggunaan Kawat Pengisi atau Elektroda untuk Las Cetakan
Seperti yang disebutkan di atas, pilihan sprei las penting untuk pengelasan besi tuang, meskipun sebagian besar ahli akan menyarankan menggunakan sprei nikel.
1. Sprei Nikel 99%
Elektroda ini lebih mahal dari opsi lain namun juga memberikan hasil terbaik. Sprei nikel 99% menghasilkan las yang dapat diolah dan bekerja paling baik pada cetakan dengan kandungan fosfor rendah atau sedang. Sprei nikel murni ini menghasilkan setoran las yang lemah dan ducile.
2. Sprei Nikel 55%
Lebih murah dari sprei 99%, ini juga dapat diolah dan sering digunakan untuk perbaikan bagian tebal. Koefisien ekspansi yang lebih rendah berarti ini menghasilkan lebih sedikit keretakan garis fuze dibandingkan sprei 99%. Sprei ferro-nikel ini ideal untuk me-las besi tuang ke baja.
Opsi yang lebih murah tersedia, seperti sprei baja, meskipun ini tidak seefektif sprei nikel:
3. Sprei Baja
Sprei baja memberikan opsi termurah dari ketiga opsi tersebut dan terbaik untuk perbaikan kecil dan pengisian. Elektroda baja menghasilkan las keras, yang memerlukan penggosokan tambahan untuk menyelesaikan dan tidak dapat diolah. Namun, meskipun memiliki kelemahan ini, sprei baja memberikan kecocokan warna dan dapat lebih baik mentolerir cetakan yang tidak sepenuhnya bersih dibandingkan sprei nikel.
4. Bronze Bras
Anda dapat melakukan oksiasetilen bras atau menggunakan sprei dengan pengelasan TIG. Ini adalah cara yang baik untuk memberikan kekuatan pada keretakan atau di antara dua komponen yang perlu disambungkan, tanpa menyebabkan keretakan dan perubahan properti besi tuang.
Membersihkan dan Peening Permukaan Las
Seperti kebanyakan pengelasan, semakin bersih permukaan, semakin baik las Anda akan menjadi. Kadang-kadang bahan yang Anda las telah memiliki seumur hidup asap atau minyak di seluruh cetakan, dan ini akan menyebabkan tantangan dalam pengelasan. Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan saat Anda me-las besi tuang.
Menggunakan konsumsi pengelasan, seperti Sprei Legasi Pengelasan Besi Tuang MG-289, yang dirancang untuk besi tuang yang tercemar adalah cara terbaik untuk memastikan las yang memadai.
Peening adalah proses mengetuk las lembut saat ia pendingin dengan palu peening bola untuk mencegah keretakan. Ini harus dilakukan dengan hati-hati dan hanya saat las dapat merubah bentuk, namun ini tidak selalu diperlukan, karena yang terutama menyebabkan keretakan adalah pemanasan atau pendinginan yang tidak teratur atau cepat dari komponen. Pra-pemanasan dan pendinginan lambat proyek Anda adalah yang paling penting.
Pra-Pemanasan atau Las Dingin?
Ada beberapa pendapat berbeda tentang apakah Anda harus me-las panas atau dingin. Semua setuju bahwa pra-pemanasan adalah opsi yang baik, namun ada beberapa orang yang menyarankan pengelasan dengan panas minimal juga cukup.
Saat memutuskan cara me-las besi tuang, salah satu dari pendekatan ini diperlukan karena, tidak seperti sebagian besar logam, besi tuang rapuh dan memiliki kemampuan sangat minimal untuk merubah bentuk melalui lenturan atau ekspansi dan penyeusutan. Panas selalu memiliki efek merubah bentuk pada logam, dan jika satu bagian logam memanas atau pendingin lebih cepat dari yang lain, stres dan keretakan terjadi dalam besi tuang atau las.
Pra-pemanasan meminimalkan efek ini dengan mendekatkan area sekitar las ke suhu pengelasan, membuat seluruh komponen berubah secara seragam. Besi tuang berubah karakteristik di atas 1400 derajat Fahrenheit, jadi penting untuk tidak memasukkan panas berlebihan ke dalam komponen.
Pengelasan besi tuang secara dingin tanpa pra-pemanasan dan menggunakan panas minimal dianggap membantu ini dengan mengurangi suhu keseluruhan. Ini dapat bermanfaat dalam tidak menghasilkan keretakan yang terlihat, dan akan menjadi las yang lebih kuat daripada las panas tanpa pra-pemanasan. Namun, stres internal masih terjadi, yang dapat muncul nanti dalam kehidupan komponen, dan ini menghasilkan las yang secara keseluruhan lebih lemah daripada pra-pemanasan yang tepat sebelum pengelasan.
Pengelas besi tuang yang berpengalaman yang secara teratur bekerja pada perbaikan atau pembuatan produk besi tuang selalu dan hanya pra-pemanasan. Ini adalah cara terbaik untuk memastikan las yang kuat secara internal, bukan hanya terlihat kurang retak.
