Koefisien muai thermal (thermal expansion coefficient) adalah besaran yang menunjukkan seberapa besar suatu material bertambah panjang (atau volume) ketika suhunya naik 1 derajat (Celsius, Kelvin, dll). Koefisien muai thermal terbagi menjadi 2 yaitu:
- Koefisien muai panjang linier (linear thermal expansion): yang menyatakan pertambahan panjang untuk setiap kenaikan suhu 1 °C (atau 1 K). Besarnya sesuai dengan persamaan berikut:
α = (1/L) + (ΔL/ΔT)
Dengan, α = koefisien muai panjang (satuan: 1/°C atau 1/K), L = panjang awal, ΔL = perubahan panjang, ΔT = perubahan suhu.
- Koefisien muai volumetrik (volumetric expansion coefficient): yang menyatakan pertambahan volume untuk setiap kenaikan suhu 1 °C (atau 1 K). Besarnya sesuai dengan persamaan berikut:
β ≈ 3α
Dengan, β= koefisien muai volumetrik, α = koefisien muai panjang.
Setiap logam mempunyai koefisien muai thermal yang berbeda-beda. Semakin besar koefisien muai thermal suatu logam, maka pada saat dilakukan pengelasan akan mengakibatkan kontraksi yg semakin besar pula. Semakin besar kontrkasi yang terjadi, maka akan meninggalkan tegangan sisa (residual stress) yang juga semakin besar. Proses terjadinya tegangan sisa pada pengelasan dapat dijelaskan pada gambar berikut:
Gambar Proses terjadinya tegangan sisa pada pengelasan
Dari Gambar, dapat dijelaskan proses terbentuknya tegangan sisa pada pengelasan sebagai berikut:
- Saat pengelasan, logam las (weld metal) dan area di sekitarnya (HAZ dan base metal) dipanaskan hingga suhu tinggi, bahkan meleleh di bagian fusi. Logam yang panas akan memuai, tetapi gerakan pemuaiannya dibatasi oleh logam dingin di sekitarnya, sehingga terjadi tekanan internal.
- Setelah proses las berhenti, maka daerah yang panas akan mendingin dan menyusut. Tetapi, logam yang sudah menyatu dengan sekitarnya tidak bisa menyusut dengan bebas, maka terjadi penarikan oleh logam dingin di sekitar. Hal ini mengakibatkan terbentuknya tegangan sisa tarik (tensile residual stress) pada logam las (weld metal).
- Distribusi tegangan sisa terbagi sesuai zona. Pada weld metal terjadi tegangan tarik karena pendinginan dan penyusutan; sedang pada HAZ terbentuk tegangan tarik atau tekan, tergantung jarak dari pusat weld metal; dan pada base metal yang jauh dari weld metal terbentuk tegangan sisa tekan (compress residual stress) sebagai reaksi dari zona yang tertarik.
“Tegangan sisa terbentuk karena logam yang memuai saat dipanaskan tidak bisa menyusut dengan bebas saat mendingin, akibatnya timbul tegangan sisa tarik yang berbahaya bagi struktur.”
Tegangan sisa akan memberikan dampak negatif terhadap hasil pengelasan, antara lain: distorsi bentuk, retak dingin terutama pada baja karbon tinggi, dan penurunan kekuatan fatig. Beberapa metode untuk mengurangi tegangan sisa pengelasan yang sering digunakan adalah: Preheat, post-weld heat treatment, muti layer, dan kontrol heat input.
