Peralatan mekanis dan struktur baja dirakit dari berbagai komponen, yang sebagian besar dihubungkan secara tetap dengan pengencang berulir. Kegagalan pengencang berulir secara langsung menyebabkan kerusakan peralatan. Dalam kasus yang parah, hal ini dapat menyebabkan peralatan mati, keruntuhan struktur, dan bahkan kecelakaan cedera diri.

Mengingat frekuensi tinggi dan bahaya serius dari kegagalan pengikat, teknisi perlu menganalisis faktor-faktor pemicu secara sistematis dan merumuskan tindakan perbaikan dan pencegahan yang ditargetkan untuk menghilangkan kegagalan pengikatan secara mendasar.

Kegagalan pengikat pada dasarnya dibagi menjadi dua kategori. Kategori pertama adalah kegagalan patah baut, yang menyebabkan pemisahan seketika pada struktur yang terhubung dan biasanya mengakibatkan kesalahan peralatan yang parah dan kecelakaan keselamatan. Kategori kedua meliputi kendornya pasangan benang dan tergelincirnya benangbaut atau mur, yang menghasilkan perpindahan relatif kecil antara bagian-bagian yang terhubung dan menyebabkan kerusakan sebagian peralatan dan berkurangnya akurasi pengoperasian.

Kegagalan pengikat adalah proses progresif. Kelonggaran kecil tanpa perawatan tepat waktu akan terus memburuk dan pada akhirnya menyebabkan baut dan mur terlepas sepenuhnya, sehingga memicu kecelakaan keselamatan besar. Dalam penerapan praktis, sebagian besar personel salah memahami bahwa patahnya baut semata-mata disebabkan oleh cacat material dan kendornya mur akibat kualitas mur yang buruk, serta mengabaikan masalah inti seperti desain struktur yang tidak masuk akal dan proses perakitan yang tidak standar. Makalah ini secara sistematis menganalisis penyebab berbagai kegagalan patah baut dari sudut pandang desain dan perakitan.

1 Fraktur Geser

Fraktur geser baut sebagian besar terjadi pada sambungan berulir dengan beban awal murni. Permukaan patahan geser terletak pada antarmuka sambungan dua bagian yang terhubung, menghadirkan area geser kecil yang halus dan cerah. Penyebab kegagalan spesifik dirangkum sebagai berikut.

1.1 Penyebab Desain

(1) Koefisien gesekan yang tidak mencukupi pada antarmuka sambungan atau spesifikasi baut yang dipilih secara tidak tepat menyebabkan beban awal yang tidak memadai. Ketika gaya gesekan pada permukaan sambungan lebih kecil dari beban kerja transversal, dinyatakan dengan rumus fF′＜F (di mana f adalah koefisien gesekan antarmuka, F′ adalah beban awal baut, dan F adalah beban kerja transversal), terjadi slip relatif antar komponen yang terhubung. Batang baut terkena gaya ekstrusi dan geser dari dinding lubang. Ketika tegangan geser melebihi kekuatan geser material baut, maka terjadi patah geser. Komponen yang bergerak di bawah beban impak lebih rentan terhadap kegagalan tersebut. Dalam desain struktural, bagian pengurang beban dan bahu pengatur posisi dapat digunakan untuk memikul beban transversal, sehingga baut hanya melakukan sambungan tarik tanpa menahan gaya geser.

(2) Pengencang tanpa struktur anti-longgar diterapkan dalam kondisi kerja yang bergetar. Getaran peralatan jangka panjang mengendurkan pasangan ulir dan melemahkan beban awal baut, mengakibatkan gesekan antarmuka yang tidak mencukupi dan selanjutnya komponen tergelincir dan patah geser baut. Untuk struktur yang bekerja di lingkungan getaran, pengencang anti-kendor khusus seperti mur Spiralock dan mur pengunci torsi harus digunakan untuk mencegah kegagalan kelonggaran.

1.2 Penyebab Perakitan

Torsi pengencangan rakitan yang tidak mencukupi menyebabkan beban awal baut di bawah standar dan gesekan antarmuka yang tidak memadai. Beban eksternal menyebabkan komponen tergelincir secara relatif dan akhirnya mengakibatkan patah geser baut. Torsi pengencangan baut merupakan indikator proses penting dalam rekayasa struktur baja dan perakitan mesin dan memerlukan kontrol yang ketat. Namun, hal ini sering diabaikan di industri lain karena kurangnya standar manajemen torsi. Dalam kasus kegagalan praktis, sebagian besar kelonggaran ulir dan kesalahan patah disebabkan oleh torsi perakitan yang tidak tepat.

Gaya penjepitan sepasang ulir dihasilkan oleh putaran mur atau baut dan berkorelasi positif dengan torsi perakitan. Untuk memastikan pramuat memenuhi persyaratan desain, torsi perakitan harus ditentukan dengan jelas dalam dokumen proses dan diterapkan secara ketat selama pengoperasian. Rumus perhitungan torsi perakitan adalah sebagai berikut:

M=KPD

Dimana: M - Torsi rakitan (Nm); K - Koefisien torsi; P - Preload yang dirancang (kN); D - Diameter baut nominal (mm).

Dalam desain konvensional, beban awal baut diatur antara 60% hingga 80% dari kekuatan luluh material dengan faktor keamanan di atas 1,2. Beban luluh baut dengan spesifikasi dan tingkat kekuatan berbeda dapat mengacu pada GB/T 3098.1.

Koefisien torsi ditentukan oleh koefisien gesekan pasangan benang dan permukaan kontak antarapengencang dan bagian yang terhubung. Hal ini dipengaruhi oleh perlakuan permukaan, presisi kekuatan, toleransi geometri, akurasi ulir, kekasaran permukaan penyangga, dan kekakuan struktur. Perawatan permukaan berfungsi sebagai faktor dominan. Perlakuan permukaan yang berbeda menyebabkan perbedaan besar dalam koefisien torsi, hingga hampir dua kali lipat. Untuk pasangan benang dengan spesifikasi dan kekuatan yang sama, koefisien torsi pada perlakuan fosfat adalah sekitar 0,13 hingga 0,15, sedangkan pada perlakuan penghitaman berkisar antara 0,26 hingga 0,30.

Oleh karena itu, pengencang dengan perlakuan fosfat dan penghitaman menghasilkan perbedaan pramuat hampir dua kali lipat pada torsi perakitan yang sama. Koefisien torsi harus dikalibrasi melalui eksperimen. Produsen pengikat harus secara ketat mengontrol proses perawatan permukaan untuk memastikan koefisien torsi yang konsisten pada setiap batch. Pengguna tidak boleh mengubah persyaratan perawatan permukaan secara sembarangan, untuk menghindari beban awal yang tidak mencukupi, regangan baut, atau patah yang disebabkan oleh fluktuasi koefisien torsi.

2 Fraktur Kelelahan

Fraktur kelelahan adalah salah satu mode kegagalan baut yang paling umum. Sebagian besar kegagalan kelelahan berasal dari cacat produksi, termasuk transisi fillet yang tidak mulus di bawah kepala baut, radius fillet akar ulir yang tidak memadai, goresan permukaan, dan masuknya material. Sementara itu, perakitan yang tidak standar juga merupakan penyebab penting terjadinya patah lelah dan potensi kecelakaan keselamatan.

Mengambil contoh baut roda mobil, desain strukturalnya memungkinkan baut roda hanya menahan beban awal aksial tanpa beban radial langsung. Torsi perakitan yang tidak mencukupi menyebabkan beban awal yang tidak memadai dan gesekan yang tidak mencukupi antara hub roda dan setengah poros, yang menyebabkan selip relatif selama pengoperasian kendaraan.

Selama putaran roda kecepatan tinggi, baut berputar secara berkala bersama hub. Batang baut dikenai gaya ekstrusi bergantian dari kedua sisi dinding lubang, sehingga menghasilkan beban radial siklik berfrekuensi tinggi. Aksi beban siklik jangka panjang mengawali dan memperluas retakan lelah, yang pada akhirnya menyebabkan patahnya kelelahan baut.

Apabila patahan baut roda terjadi setelah pengoperasian kendaraan, pemeriksa harus terlebih dahulu mengamati morfologi patahan untuk menilai terlebih dahulu kegagalan lelah sebelum melakukan analisis mendalam lebih lanjut.

3 Fraktur Kelebihan Beban

Patah beban berlebih mengacu pada patah tarik ketika beban aksial total melebihi batas yang diijinkan material baut. Karena area bantalan efektif pada bagian berulir lebih kecil dibandingkan dengan betis halus dengan konsentrasi tegangan yang lebih parah, patahan beban berlebih sebagian besar terjadi pada bagian berulir, yang dapat diidentifikasi terlebih dahulu melalui morfologi patahan.

Baut kelas 8,8 menunjukkan necking yang jelas setelah patah akibat beban berlebih; Baut kelas 10,9 menimbulkan sedikit necking; Baut kekuatan tinggi kelas 12,9 pada dasarnya tidak memiliki fitur necking dalam kondisi beban berlebih normal.

Leher yang jelas juga dapat muncul pada baut Kelas 8,8 hingga 12,9 dengan bahan yang tidak memenuhi syarat, perlakuan panas yang tidak memadai, pendinginan yang tidak lengkap, atau kekerasan inti yang tidak memadai. Oleh karena itu, kriteria penilaian untuk fraktur beban berlebih ditetapkan sebagai berikut:

(1) Untuk patahan dengan leher, pengujian sampel harus dilakukan sesuai dengan GB/T 3098.1. Fraktur kelebihan beban dapat dipastikan jika kekerasan inti memenuhi syarat.

(2) Analisis metalografi diperlukan untukBaut kekuatan tinggi kelas 12,9untuk menentukan patahnya beban berlebih, karena cacat permukaan ulir dan cacat material juga dapat menyebabkan patahnya bagian ulir dan tidak dapat dinilai hanya dari penampilannya saja.

Fraktur kelebihan beban terutama terjadi pada sambungan baut di bawah beban aksial, dengan tiga penyebab utama:

A. Torsi perakitan yang terlalu tinggi menyebabkan beban awal melebihi kekuatan luluh material baut, yang mengakibatkan baut meregang atau patah selama perakitan.

B. Preload rakitan yang berlebihan mendekati kekuatan luluh baut. Selama pengoperasian peralatan, baut menanggung beban awal sisa dan beban kerja. Superposisi kedua beban yang melebihi batas kekuatan material menyebabkan patah akibat beban berlebih. Di bawah beban kerja yang konstan, beban awal perakitan yang lebih tinggi menyebabkan beban awal sisa yang lebih tinggi dan risiko kelebihan beban yang lebih besar.

C. Pemilihan baut yang tidak tepat dengan diameter ulir nominal yang tidak memadai gagal memenuhi persyaratan bantalan dalam desain struktural.

4 Patahnya Baut Akibat Beban Eksentrik Rakitan

Patahnya baut akibat beban eksentrik merupakan kegagalan proses perakitan yang umum terjadi. Tanda keausan berbentuk bulan sabit yang jelas dapat diamati pada permukaan penyangga baut, dengan luas bantalan sebenarnya hanya 1/4 hingga 1/3 dari total luas penyangga dan distribusi tegangan yang sangat tidak merata. Batang baut di dekat patahan membengkok berlawanan dengan arah tegangan, menunjukkan karakteristik lentur dan patah eksentrik yang khas.

Kegagalan baut dengan beban eksentrik terutama disebabkan oleh dua faktor:

Pertama, permukaan penyangga kontak dari bagian-bagian yang disambung miring atau tidak rata, sehingga menimbulkan tekanan lokal padakepala bautdan membentuk beban eksentrik yang menjadi penyebab utama terjadinya kegagalan ini.

Kedua, kesalahan kelurusan yang berlebihan atau deformasi lentur pada betis baut menyebabkan beban eksentrik yang melekat selama perakitan.

Kedua jenis beban eksentrik ini berbeda secara signifikan dalam posisi tegangan dan arah lentur betis, yang dapat dibedakan melalui jejak tegangan permukaan tumpuan dan arah deformasi baut.

5 Kesimpulan

Kegagalan pengikat seperti patah, benang tergelincir, dan kendor tidak selalu disebabkan oleh cacat kualitas produk yang melekat. Prosedur pemecahan masalah standar harus diikuti setelah terjadi kegagalan pengikatan:

Pertama, pertahankan sampel yang gagal secara menyeluruh dan lindungi permukaan rekahan dari karat, benturan, dan kerusakan sekunder untuk memastikan analisis kegagalan yang akurat.

Kedua, menentukan terlebih dahulu jenis kegagalan dan pemicunya berdasarkan morfologi rekahan, penampakan sampel, jejak tegangan permukaan, dan kondisi kerja sebenarnya.

Ketiga, melakukan uji fisik dan kimia secara profesional termasuk analisis metalografi dan deteksi kekerasan. Jika indikator material dan perlakuan panas memenuhi standar nasional, kegagalan berasal dari desain struktur atau proses perakitan; jika tidak, hal ini dipastikan sebagai cacat kualitas pengikat.

Keempat, merumuskan langkah-langkah perbaikan dan pencegahan yang ditargetkan sesuai dengan penyebab kegagalan yang telah dikonfirmasi, menstandarkan spesifikasi desain dan mengoptimalkan proses perakitan untuk menghindari terulangnya kegagalan serupa.