kimpalan

Kimpalan 8-1

Kuliah 8

Kimpalan

Kimpalan merupakan kaedah sambungan yang penting yang sering digunakan di dalam bidang kejuruteraan hari
ini terutamanya pada struktur-struktur bangunan, pelantar minyak, pembinaan kapal , industri automotif dan
sebagainya. Dalam bab ini kita akan mempelajari sebahagian kecil daripada teknologi kimpalan iaitu:

• Jenis-jenis kimpalan
• Kaedah pemeriksaan kualiti kimpalan
• Badan piawai
• Analisis daya dan tegasan pada logam kimpal
• Penentuan saiz kimpalan

8-1 JENIS-JENIS KIMPALAN

WELDING PROCESS

OXYFUEL GAS WELDING SOLID STATE WELDING

• Pressure Gas Welding • Friction Welding
• Oxyacetylene Welding • Ultrasonic Welding
• Forge Welding
ARC WELDING • Roll Welding
• Cold Welding
• Shielded Metal Arc • Explosion Welding
Welding
UNIQUE PROCESS
• Gas Metal Arc Welding
◊ Polsed Arc • Thermit Welding
◊ Short Circuit Arc • Laser Beam Welding
◊ Electrogas • Electroslag Welding
◊ Spray Transfer • Flash Welding
• Induction Welding
• Gas Tungsten Arc Welding • Electron Beam Welding
• Flux Cored Arc Welding
• Submerged Arc Welding Pengelasan kimpalan
• Plasma Arc Welding
• Stud Welding

RESISTANCE WELDING

• Resistance Spot Welding
• Resistance Seam Welding
• Projection Welding

Rajah 9-1

 mkaj 2002

Kimpalan 8-2

Gambarajah di bawah menunjukkan beberapa jenis kimpalan yang biasa kita temui.

Rajah 8-2 Kimpalan arca menggunakan elektrod bersalut

Rajah 8-3 Kimpalan rintangan bintik (resistance spot welding)

 mkaj 2002

Kimpalan 8-3

Rajah 8-4 Kimpalan kelim (seam welding)

Kimpalan merupakan kaedah penyambungan yang kekal di antara logam kimpal dan benda kerja (work piece).
Kimpalan merupakan proses penting untuk industri seperti pembinaan kapal, industri automotif, pesawat udara,
pembuatan tin dan penyambungan paip logam. Kaedah ini juga digunakan untuk industri plastik seperti
kimpalan ultrasonik dan juga sebagai kaedah pemotongan logam.

8-2 KAEDAH PEMERIKSAAN KUALITI KIMPALAN

Adalah amat penting memeriksa kualiti kimpalan untuk mengelakkan kegagalan sambungan. Kegagalan
biasanya disebabkan ujudnya keliangan (porosity), bendasing (foreign particles), keretakan (cracks). Langkah-
langkah keselamatan juga perlu di ambil untuk mengelakkan kegagalan, umpamanya permukaan yang telah
dikimpal hendaklah diratakan atau di canai untuk mengelakkan keretakan terhasil daripada permukaan kasar
atau tidak rata. Beberapa kaedah yang biasa digunakan untuk memastikan kualiti kimpalan yang tinggi
diterangkan di bawah.

Pemeriksaan Permukaan
Pemeriksaan permukaan adalah untuk memeriksa keujudan keretakan dan kecacatan permukaan kimpalan.
Terdapat dua kaedah yang digunakan iaitu menggunakan :
• pewarna (dye penetrant method) yang ditaburkan di atas permukaan kimpalan. Menerusi cara ini, keretakan

akan dapat dilihat dengan matakasar
• serbuk magnet (magnetic particle method). Melalui cara ini benda kerja dikenakan medan magnet dan

serbuk logam atau besi ditaburkan. Pada tempat yang retak atau ujudnya keliangan, aliran serbuk magnet
akan kelihatan cacat atau terputus.

Pemeriksaan di bawah permukaan
Pemeriksaan dibawah permukaan adalah untuk mengesan keujudan keliangan, jermang (slag inclusion)
bendasing dan juga keretakan.

Radiografi
Kaedah ini menggunakan punca sinaran yang dipancar kepada filem menerusi benda kerja. Sebarang keretakan
atau kecacatan pada kimpalan akan kelihatan pada filem. Satu kelemahan pada teknik ini adalah apabila
keretakan atau keliangan menegak dan selari dengan arah pancaran. Imej yang ditunjukkan oleh filem hanyalah
keratan rentas atau garispusat lubang sedangkan panjang sebenar kecacatan tidak dapat ditunjukkan. Satu
kaedah lain yang lebih baik adalah menggunakan ultrasonik.

 mkaj 2002

Kimpalan 8-4

Rajah 8-5 Kaedah radiografi

Ultrasonik
Kaedah ini menggunakan gelombang bunyi yang dipancarkan melalui benda kerja. Gelombang yang dibalikkan
dikesan dalam bentuk plot isyarat gelombang. Kaedah ini adalah pantas dan peralatan yang digunakan
mudahalih. Rajah 8-6 menunjukkan kaedah ini.

(a) (b) (c)

Rajah 8-6 Kaedah ultrasonik (a) pemancar dan penerima tunggal (b) contoh plot isyarat yang diterima (c)
satu penghantar dan satu penerima (balikan)

 mkaj 2002

Kimpalan 8-5

8-3 PIAWAIAN

Dalam amalan sebenar kejuruteraan, kita perlu menyemak garispanduan mengenai kimpalan yang telah
disediakan oleh badan-badan piawai berikut:
• American Welding Society (AWS)
• American Institute of Steel Construction (AISC)
• American Society for Testing Materials (ASTM)
• American Society of Mechanical Engineers (ASME)
• American Petroleum Institute (API)
• British Standards (BS) - BS : 4360, 639, 1719, 1856, 2642, 499, etc.

Contoh maklumat yang boleh diperolehi daripada piawai adalah ditunjukkan dalam rajah 8-7.

Rajah 8-7 Contoh maklumat yang boleh diperolehi daripada piawai

 mkaj 2002

Kimpalan 8-6

8-4 JENIS-JENIS KIMPALAN, SAMBUNGAN DAN SIMBOL Jenis sambungan
Jenis-jenis kimpalan dan sambungan ditunjukkan dalam rajah 8-8.

Jenis kimpalan

Rajah 8-8 Jenis kimpalan dan jenis sambungan
Simbol untuk beberapa jenis kimpalan ditunjukkan di bawah:

Rajah 8-9 Simbol asas kimpalan arca dan gas

 mkaj 2002

Kimpalan 8-7

Rajah 8-9 Simbol asas kimpalan arca dan gas (sambungan)

Rajah 8-10 Simbol tambahan

Teknik piawai menerangkan kedudukan dan jenis kimpalan ditunjukkan di dalam rajah 8-12. Rajah 8-11
menunjukkan beberapa jenis dan simbol kimpalan.

(a) kimpal bebibir-tepi (b) kimpal kambi-T

(c) kimpal kalam (d) kimpal alur temu

Rajah 8-11 Beberapa jenis dan simbol kimpalan

 mkaj 2002

Kimpalan 8-8

(e) kimpal kambi terputus-putus (60 mm panjang pada jarak pic 200 mm)
Rajah 8-11 Beberapa jenis dan simbol kimpalan (sambungan)

simbol kemasan sudut alur : termasuk
sudut lubang benam
simbol kontur untuk kimpal palam

kedalaman isian panjang kimpalan
kimpal palam
panjang pic kimpal
saiz atau kekuatan F (antara dua bahagian
kimpalan A tengah kimpalan)

tentuan, S R simbol kimpal
proses atau keliling
rujukan L-P
simbol kimpal
ekor boleh T d
dibuang
sekiranya anak panah
rujukan tidak
digunakan N menunjukkan
kedudukan kimpalan

simbol jenis kimpalan bilangan kimpal
pada bahagian bintik atau kimpal
bersebelahan yang unjur
ditunjukkan oleh anak
panah

simbol jenis kimpalan
pada bahagian yang
ditunjukkan oleh anak
panah

Rajah 8-12 Simbol piawai kimpalan

 mkaj 2002

Kimpalan 8-9

8-5 JENIS-JENIS BEBANAN
Jenis jenis beban yang sering ditemui adalah seperti berikut

a. Bebanan melintang

b. Bebanan membujur

c. Lenturan dan ricih

 mkaj 2002

Kimpalan 8-10

d. Kilasan
e. Gabungan kilasan, daya ricih dan lenturan

8-6 ANALISIS BEBAN DAN TEGASAN PADA LOGAM KIMPAL
Dalam bab ini kita akan menumpukan analisis kepada kimpalan temu dan kimpalan kambi.

1. Bebanan melintang Tegasan pada logam kimpal adalah:
(a) Sambungan temu

σx = F
h

 mkaj 2002

Kimpalan 8-11

(b) Sambungan bertindih Tegasan purata pada logam kimpal dikira pada
2. Kilasan tulen (purely torsional) kerongkong (throat). Panjang kerongkong
adalah = (cos 45o) h dan h adalah saiz kaki
(leg size).
Tegasan ricih purata pada logam kimpal
adalah:

τ= F = F
2( )( 0.707h ) 1.414h

GBB

Tegasan pada kimpalan adalah:
τ = Tc dan
J
c = jejari daripada sentroid ke kedudukan kimpalan tanpa mengambilkira ketebalan kimpalan
T = dayakilas
J = momen inersia kutub

Nilai J diberi oleh formula berikut:
J = 0.707h (Ju) dimana Ju adalah momen inersia unit kutub yang diprolehi daripada Jadual 8-1.

Untuk kes yang ditunjukkan di atas, nilai J dan Ju adalah:
Ju = 2πr3 dan J = 1.414πhr3

Perhatian : Dalam analisis kimpalan, ketebalan saiz kaki kimpalan tidak diambilkira ketika mendapatkan saiz
jejari c. Nilai c adalah nilai jejari benda kerja tanpa mengambilkira ketebalan kimpalan. Nilai saiz kaki h hanya
diambilkira dalam persamaan J = 0.707h (Ju) , momen inersia (I) dan luas kimpalan (A).

 mkaj 2002

Kimpalan 8-12

3. Kilasan dan daya ricih terus GBB

Rajah di atas menunjukkan contoh gabungan beban kilasan dan daya ricih terus. Daripada GBB kita dapat lihat
kesan kilasan T dan daya F. Daya ricih F menghasilkan tegasan ricih utama τ’ iaitu:

τ'= F ⇒ A adalah luas kimpalan yang diberikan dalam Jadual 8-1
A

dan daya kilas T menghasilkan tegasan ricih sekunder τ” iaitu:

τ " = Mr ⇒ J = 0.707h (Ju) dimana Ju diprolehi daripada Jadual 8-1.
J

Kedudukan genting tegasan kilasan adalah pada bahagian yang paling jauh daripada kedudukan sentroid
kimpalan iaitu pada bahagian bucu kimpalan. Formula mencari kedudukan sentroid diberikan oleh Jadual 8-1.
Oleh itu vektor τ’ dan τ” perlu dilukis pada setiap bucu untuk mencari kedudukan paling genting menggunakan
kaedah vektor. Dalam kes ini kedudukan paling genting adalah lokasi B dan C. Kaedah trigonometri perlu
digunakan untuk mencari nilai tegasan ricih gabungan τtotal .

Untuk pemahaman anda, sila lihat contoh 8-1.

Contoh 8-1

Rajah di bawah menunjukkan dua keping plat yang disambung bertindih menggunakan kimpalan pada
kedudukan yang ditunjukkan. Sekiranya tegasan ricih dibenarkan adalah 140 MPa, dapatkan nilai F maksimum
yang mampu ditampung oleh logam kimpal.

 mkaj 2002

Kimpalan 8-13

Penyelesaian Rujuk kepada Jadual 8-1 untuk menentukan
GBB kedudukan sentroid G.

Momen = 139 F N.mm

J = 0.707hJu = 6.82 x 105 mm4
r1 = 46.2 mm dan r2 = 32.8 mm

τ' = F where Aw = 721 mm2
Aw

F = F MPa
721

τ " = τ " = (139 F )( 46.2) = 9.42 x 10−3 F
A D
6.82 x 105

τ " = τ " = (139 F )( 32.8) = 6.69 x 10−3 F
B C
6.82 x 105

Berdasarkan kepada analisis vektor, nilai tertinggi
adalah pada A dan D.

Oleh itu nilai Fmax = 14.9 kN

4. Gabungan lenturan dan daya ricih terus

GBB

Kes di atas menunjukkan contoh gabungan lenturan dan kilasan pada logam kimpal. Daripada GBB kita dapat
lihat bahawa daya ricih terus F menghasilkan tegasan ricih iaitu:

τ'= F ⇒ A adalah luas kimpalan yang diberikan dalam Jadual 8-1
A

 mkaj 2002

Kimpalan 8-14

dan momen lentur M menghasilkan tegasan lenturan iaitu :

σb = Mc ⇒ M = momen lentur
I
c = jarak daripada paksi neutral ke kedudukan yang mengalami
tegasan tegasan lenturan maksimum

I = momen inersia

I = 0.707h (Iu) dimana Iu adalah momen inersia unit kutub yang diprolehi daripada Jadual 8-2.

Jadual 8-1 Ciri-ciri kilasan untuk kimpal kambi

 mkaj 2002

Kimpalan 8-15

Tegasan setara menggabungkan tegasan ricih dan lenturan boleh ditentukan menggunakan TTH atau TTRM
iaitu:

 σb  2
 2 
σ′ = σ 2 + 3τ ′2 atau τ max = + τ' 2
b

5. Gabungan daya ricih terus, kilasan dan lenturan

Kes di atas menunjukkan contoh gabungan ketiga-tiga jenis bebanan. Dalam kes seperti ini, daya ricih F
menghasilkan tegasan ricih utama:

τ'= F
A

dan momen lentur M menghasilkan tegasan lenturan:

σb = Mc
I

manakala dayakilas T menyebabkan tegasan ricih sekunder :

τ " = Mr
J

τ′ dan τ″ hendaklah diselesaikan menggunakan kaedah vektor untuk mendapatkan nilai paduan τtotal . Kemudian
nilai setara menggabungkan kesan ketiga-tiga tindakan di atas boleh didapati menggunakan TTH atau TTRM
seperti berikut:

 σb  2
 2 
σ′ = σ 2 + 3τ 2 atau τmak = τ 2 +
b total total

 mkaj 2002

Kimpalan 8-16

Jadual 8-2 Ciri-ciri lenturan untuk kimpal kambi

 mkaj 2002

Kimpalan 8-17

Jadual 8-2 Ciri-ciri lenturan untuk kimpal kambi (sambungan)

Faktor keselamatan
Faktor keselamatan ditentukan menggunakan TTH atau TTRM. Biasanya TTRM digunakan kerana had
ketahanan logam kimpal diberikan dalam bentuk kekuatan ricih. Walaubagaimanapun, kedua-dua teori ini boleh
digunakan. Sekiranya TTH digunakan, faktor keselamatan pada logam kimpal adalah:

n = S y atau had ketahanan
σ'

atau TTRM :
n = S y atau had ketahanan
2τ mak

Jadual 8-3 memberikan nilai tegasan yang dibenarkan untuk kimpalan temu dan kambi.

 mkaj 2002

Kimpalan 8-18

Jadual 8-3 Tegasan dibenarkan untuk kimpalan

Jenis bebanan Jenis kimpalan Tegasan dibenarkan Faktor keselamatan **

Tegangan Temu 0.60 Sy 1.67
Galas Temu 0.90Sy 1.11
Lenturan Temu 0.6 - 0.66Sy 1.52 - 1.67
Mampatan mudah Temu 0.60Sy 1.67
Ricih Temu dan kambi 0.40Sy 1.44

** Faktor keselamatan berdasarkan Teori Tenaga Herotan.
Sumber : Mechanical Engineering Design, J E Shigley, 1st metric edition, McGraw Hill, 1986.

Contoh di bawah menunjukkan gabungan beban lentur dan ricih.

Contoh 8-2
Tentukan nilai-nilai tegasan yang bertindak pada logam kimpal.

 mkaj 2002

Kimpalan 8-19

GBB Momen M = 7.5 x 105 N.m
Contoh 8-3
Daripada Jadual 8-2:
Aw = 1.414 hd = 707 mm2
Iu = d3 /6
I = 0.707h (Iu) = 5.89 x 105 mm4

Daripada GBB kita dapati :

a. F menghasilkan τ′ = F = 10.6 MPa
A

b. M menghasilkan σb = Mc 63.7 MPa
=

I

c. Tegasan gabungan :

 σb  2
 2 
τmax = +τ ′2 = 33.6 MPa atau

σ′= σ 2 + 3τ ′2 = 66.3 MPa
b

Rajah menunjukkan sebuah bungkah segiempat
dikenakan dayakilas T. Tentukan dayakilas T
maksimum yang boleh dikenakan sekiranya tegasan
ricih dibenarkan adalah 140 MPa

 mkaj 2002

Kimpalan 8-20

Penyelesaian Ju = (b + d )3 = 3.26 x 105mm3
Contoh 8-4
6

J = 0.707( 6 )( Ju )

= 1.38 x 106 mm4

Tegasan maksimum berlaku pada bucu kimpalan
(bahagian paling jauh daripada G - pada bucu)

τ ′′ = Tc ⇒ c = 37.52 + 252 = 45.1 mm
J

τ ′′ = T( 45.1) = 140
1.38 x 106

T = 4.28 x 106 N.mm atau T = 4280 N.m

Rajah menunjukkan sebuah pendakap menyokong
beban F = 60 kN yang dibahagi sama pada setiap
bahagian. Sekiranya tegasan ricih dibenarkan
adalah 140 MPa dan faktor keselamatan n = 3.0,
tentukan saiz minimum logam kimpal yang sesuai.

 mkaj 2002

Kimpalan 8-21

Penyelesaian r1 = 55 mm
r2 = 73 mm
x = b2 = 22.5 mm

2b + d
y = d = 50 mm

2

A = 0.707h (150 + 100 ) = 177h mm2

J = 0.707h( Ju ) = 4.33 x 105 h mm4

τ′ = F
A

Oleh itu τ ′ = 169
h

τ ′′ = τ ′D = Mr
J

τ ′A′ = τ ′D′ = 392
h

τ ′B′ = τ ′D′ = 295
h

Pada B dan C :

θ = 90 + ∅ = 114.2

 2 2  1 2

τ B = 292  +  169  − 2. 2h95  169  cos θ 
h h h

= 396
h

Pada A dan D:

α = 90 − γ = 43.6

 2 2  1 2
cosα 
τ A = 392  +  169  − 2. 169   392 
h h h h 

= 299
h

Oleh itu tegasan pada B dan C adalah tertinggi iaitu
396

:
h

 mkaj 2002

Kimpalan 8-22

n = 140MPa = 3
τ mak

τmak = τB = τC

τB = 140 = 396
3 h

h = 8.5 mm

Contoh 8-5

Rajah disebelah menunjukkan sebuah pendakap yang
dikenakan beban menegak 10 kN. Sekiranya tegasan
ricih dibenarkan adalah 140 MPa, dapatkan saiz
minimum kimpalan yang selamat.

Penyelesaian A = 1.414h (100) = 141.4h mm2
GBB
I = 0.707h  1003  = 1.18 x 105 h mm4
 
 6

a. Tegasan ricih
τ = 10,000 = 71
141.4h h

b. Tegasan lentur
M = (10) (75) + 10 (25) = 1000 kN. mm

 mkaj 2002

Kimpalan 8-23

( )σ b
= Mc = (1000) 103 (50)
I
1.18 x 105 h

σ b = 424
h

c. Tegasan paksi

( )(10) 103 = 71
h
σ a = 141.4h

Tegasan ricih maksimum menggabungkan tegasan-
tegasan di atas menggunakan TTRM adalah :

 σ  2
2
τ max = + τ 2

=  σ b + σ a  2 + τ 2
2

=  424 + 71 2 +  7h1 2
2h

= 257
h

kita diberi τmax = 140 MPa
257

oleh itu 140 =
h

257
h = = 2.0 mm (minimum)

140

 mkaj 2002

Kimpalan 8-24

Apakah perbezaan sekiranya arah daya-daya di atas diterbalikkan (berlawanan arah) ?

Daya paksi akan mengurangkan kesan tindakan momen dan ini akan mengurangkan kesan tindakan tegasan
lenturan pada kimpalan. Dalam hal ini, daya paksi tidak mungkin memberikan kesan mampatan kepada logam
kimpal kerana plat keluli adalah tegar.

σ −σ  2
 2 
τ max = b a +τ 2

= 190
h

τmax = 140 = 190
h

h = 1.4 mm (minimum)

RUJUKAN

8-1 Materials and processes in manufacturing DeGarmo, E. Paul, Macmillan, New York, 1988

8-2 Nondestructive Testing Handbook, 2nd ed., (Multiple Volumes), American Society for Nondestructive
Testing (1982- )

 mkaj 2002