Bilakah Manusia Mula Mengenali Teknologi Kimpalan?

Disiar dalam Dewan Kosmik Jun 2011

Bilakah Manusia Mula Mengenali Teknologi Kimpalan?

Muhammad Nuruddin Bashah

Sarjana Muda Kejuruteraan Bahan (Hons) UM

Di antara manfaat besar teknologi logam serata dunia zaman berzaman adalah penemuan konsep kimpalan. Konsep kimpalan muncul apabila manusia mulai ingin menguatkan logam dengan mencantum dua logam secara fizikal (hentaman dan pemanasan berulang kali) tanpa melalui proses percantuman secara kimia. Manusia juga ingin mereka bentuk (fabrikasi) peralatan kehidupan melalui kaedah kimpalan selepas mereka merasakan teknik ikatan menggunakan rotan atau tali guni tidak cukup kukuh untuk mencantum antara logam.

Kimpalan adalah satu proses pencantuman sesuatu bahan dengan bahan yang lain dengan menggunakan suatu bahan khas, contohnya logam atau termoplastik (polimer). Proses pengimpalan ini melibatkan pencairan sesuatu jenis logam tersebut untuk menjadikannya pengikat di antara sesuatu struktur dengan struktur yang lain. Kadangkala tekanan juga digunakan di samping haba untuk menghasilkan kimpalan tersebut. Ini berbeza dengan pematerian, yang cuma meleburkan bahan sambungan (pateri) untuk membentuk sambungan, dan bukan struktur itu sendiri.

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.

Kaedah kimpalan cantuman dua logam terawal yang dikenalpasti adalah teknik kimpalan hentaman (forge welding). Kaedah ini dilakukan dengan memanas dua jenis logam yang berbeza sehingga kemerah-merahan (menghampiri takat lebur logam berkenaan) dan kemudiannya dihentam dengan menggunakan tukul besar agar bercantum. Kaedah ini wujud sejak manusia mengenali logam gangsa lagi.

Kaedah ini adalah kaedah termudah untuk mencantum logam. Malah ia mampu menghasilkan pengaloian untuk menghasilkan pedang, lembing, keris tanpa melalui proses perleburan relau. Kaedah ini hanya dilupakan sejak manusia mulai mengenal penggunaan oksi-asetelin dan penemuan arka elektrik. Jika manusia masih menggunakan teknik kimpalan hentaman, mustahil untuk kita mencipta sebuah kapal perang yang besar menggunakan 100% logam.

Seorang tukang kimpal menggunakan teknik kimpalan hentaman

Dua logam dicantum menggunakan teknik kimpalan hentaman.

Lapisan yang dikimpal akan menjadi lebih kuat kerana pembentukan kawasan eutektik yang rendah takat lebur pada kawasan sempadan antara dua logam. Selalunya pakar logam akan memastikan pemanasan tidak terlalu tinggi sehingga pengoksidaan boleh menghasilkan sanga yang tercampur dengan permukaan logam kimpal.

Tugu pillar (tiang besi) India yang dibina menggunakan teknik kimpalan.

Proses cantuman logam dan sejarah kimpalan juga dipercayai bermula sejak zaman gangsa dan di ikuti dengan zaman logam di Eropah dan Timur Tengah. Kimpalan juga digunakan untuk membina Pillar India di Delhi, India, sekitar tahun 310 M, seberat 5.4 tan. Teknik yang digunakan untuk menghasilkan Pillar ini adalah kimpalan hentaman.

Pada tahun 1892, Morehead dan Wilson secara tidak sengaja menemui cara untuk menghasilkan gas asetelin. Mereka menjumpai bagaimana mencantumkan gas ini dengan oksigen untuk menghasilkan pembakaran panas sehingga 5720 F (3160 C). Disebabkan suhu ini melebihi takat lebur kebanyakan logam, ia telah dipilih untuk dijadikan teknik kimpalan logam.

Contoh penggunaan oksi-asetelin sebagai teknik pengimpal.

Penggunaan api pembakaran terbuka iaitu asetelin ini amat penting kemudiannya kerana banyak produk dan peralatan logam abad itu dihasilkan menggunakan teknik kimpalan asetelin.

Kaedah menggunakan oksi-asetelin untuk mengimpal sama sahaja dengan penggunaannya untuk memotong logam. Yang membezakannya adalah semasa proses pemanasan permukaan bahan kimpal, ia tidak ditekan sehingga bahan tersebut putus (terpotong) sebaliknya hanya memanaskan permukaan bahan kimpal dan dimasukkan bahan logam pengisi (filler) untuk mengimpal.

Kimpalan jenis oksi asetelin adalah kaedah yang paling mudah digunakan walaupun kini kaedah elektrod lebih mudah dan praktikal. Kaedah ini juga amat murah berbanding kimpalan gas nadir atau tungsten (TIG). Kaedah ini juga mudah di bawa ke mana-mana sahaja malah tong pengisi asetelin juga mudah digerakkan. Peralatan oksi-asetelin juga boleh diubah kepada tenik pemotongan kepingan logam. Jadi ia berfungsi dua dalam satu.

Namun begitu, kaedah kimpalan ini menghasilkan permukaan kimpal yang kasar berbanding kaedah lain. Ia juga menghasilkan zon kesan haba yang besar (heat affected zones) yang memberi kesan sampingan kepada sifat fizikal logam berkenaan. Kaedah oksi-asetelin amat sesuai untuk semua jenis keluli dan untuk kimpalan kuprum dan tembaga. Jika anda menggunakan youtube, anda boleh menjumpai beberapa video iklan khas kerajaan Britain menarik ramai rakyatnya menyertai kerjaya sebagai pengimpal menggunakan oksi-asetelin untuk tujuan peperangan semasa Perang Dunia II.

Pada tahun 1881, saintis Perancis bernama Auguste De Meritens berjaya melakur plat plumbum menggunakan haba yang dijana daripada arka elektrik. Kemudian, saintis Rusia Nikolai N. Benardos dan Stanislaus Olszewski membangunkan pemegang elektrod. Pada 1885, Nikolai Benardos dan Stanislav Olszewski menghasilkan paten pengimpal arka elektrik dengan elektrod karbon yang dikenali sebagai set Electrogefest. Nikolai Benardos (Russia) dan Stanislav Olszewski (Poland) dianggap sebagai pencipta ulung bagi apparatus kimpalan moden hari ini.

Alatan kimpalan ciptaan Nikolai Benardos dan Stanislav Olszewski pada taun 1885 dan dipatenkan pada 1887.

Sepanjang tahun 1890an, teknik kimpalan yang paling terkenal ialah teknik arka karbon. Dalam jangka masa yang sama, rakyat Amerika bernama C.L. Coffin menyediakan paten Amerika Syarikat untuk kimpalan arka elektrod logam. Manakala N.G. Slavianoff dari Rusia menggunakan prinsip yang sama untuk teknologi tuangan besi dalam acuan.

Logam elektrod tersalut (coated metal electrode) pertama kali diperkenalkan pada 1900 oleh Strohmenger. Salutan bahan fluks yang menggunakan bahan batu kapur (kalsium karbonat) membantu pengkasilan arka elektrik yang lebih stabil.

Perang Dunia I menyaksikan transformasi besar-besaran negara Eropah untuk menghasilkan teknik kimpalan paling sempurna. Britain menggunakan teknik kimpalan arka untuk membina kapal malah seluruh badan kapal dikimpal menggunakan teknik ini. Tentera Amerika mulai memperakui teknik ini sebagai langkah berkesan membaiki kapal perang mereka yang dirosakkan Jerman semasa serangan di New York Harbour pada permulaan perang.

Menjelang tahun 1920an juga proses menyalut seluruh elektrod menggunakan bahan fluks menjadi lebih murah pada 1927 memandangkan proses penyemperitan (extrusion) diperkenalkan. Teknik penyemperitan memecut perkembangan kimpalan sehinggalah dunia bergolak pada Perang Dunia II. Pada Perang Dunia II juga kimpalan automatik mulai digunakan dengan menggunakan arus ulang alik (AC) dan penemuan penggunaan gas nadir untuk melindungi arka jika mengimpal bahan reaktf seperti aluminum dan magnesium.

Selepas berakhir Perang Dunia I, American Welding Society (AWS) telah dimasyhurkan oleh Comfort Avery Adams. Matlamat utama persatuan ini adalah untuk memajukan lagi teknologi kimpalan. CJ Holstag telah membantu memajukan kimpalan apabila menemui sistem arus ulang alik pada tahun 1919. Bagaimanapun sistem arus ini hanya dikomersialkan dalam industri kimpalan pada sekitar tahun 1930 sahaja.

New York Navy Yard telah membangunkan kimpalan kancing (stud welding). Menurut Kamus Pelajar DBP, ‘stud’ adalah bol tanpa kepala dan kedua-dua hujungnya berbenang (digunakan utk melekapkan sesuatu). Teknik ini telah meningkatkan produktiviti dalam industri pembinaan dan juga digunakan dalam pembinaan kapal.

Kimpalan kancing adalah bentuk kimpalan tertumpu (spot) apabila bol atau skru dikimpal pada bahagian logam yang lain. Bol berkenaan akan termasuk dalam tempat yang dikimpal.

Stud atau bahan yang ingin dikancing akan disambung dengan menjadikan bahan stud itu sendiri sebagai elektrod.

Dalam waktu yang sama Syarikat National Tube membangunkan proses kimpalan yang dikenali sebagai kimpalan arka terpadam (smothered arc welding).

Jenis kimpalan baru yang digunakan untuk cantuman tidak telalu rapat atau ketat untuk bahan aluminum dan magnesium telah diperkenal pada tahun 1941 oleh Meredith. Proses ini dikenali sebagai kimpalan Heliarc. Teknik kimpalan arka logam tersalut gas (gas shielded metal arc welding GTAW) dibangunkan di Battelle Memorial Institute pada tahun 1948.

Proses kimpalan gas CO2 telah dipopularkan oleh Lyubavskii dan Novoshilov pada tahun 1953. Teknik ini menjadi pilihan utama untuk kimpalan keluli tahun itu menandangkan ia lebih ekonomi.

Ciptaan di bawah Paten Amerika Syarikat nombor 2,043,960 telah melegitimasikan teknik kimpalan arka tenggelam (submerged arc welding SAW) yang dicipta oleh Jones, Kennedy dan Rothermund. Paten ini telah difailkan pada October 1935 dan dikomersialkan oleh Union Carbide Corporation. Kimpalan Arka tenggelam (SAW) ini adalah sejenis kimpalan arka biasa. Ia memerlukan elektrod dalam bentuk tiub atau wayar yang dimasukkan secara berterusan sepanjang proses kimpalan. Kawasan kimpal yang cair dan zon kesan haba dilindungi daripada atmosfera menggunakan fluks dalam bentuk granul yang terdiri daripada serbuk kalsium karbonat, mangan oksida, silika dan kalsium florida. Serbuk fluks dituang sepanjang proses kimpalan dan bertindak menenggelam kawasan kimpal yang masih lebur sekaligus menyelimut kawasan tersebut.

Serbuk fluks yang dituang sepanjang proses kimpalan untuk menutup(meneggelam) permukaan kimpalan dari atmosfera

Wayar elektrod berterusan

Kaedah kimpalan arka tenggelam

Dalam satu makalah yang ditulis oleh Bob Irving dalam Jurnal The Welding Journal menyatakan kepentingan teknik kimpalan dimajukan pada awal perang dunia sehinggakan President Roosevelt (Amerika Syarikat) menghantar surat kepada Perdana Menteri Britain Winston Churchill menyatakan kegembiraan beliau terhadap kemajuan teknologi kimpalan dua negara ini yang mampu menghasilkan pembinaan kapal perang yang selamat dan cepat disiapkan untuk peperangan.

Kini teknologi kimpalan semakin bercambah daripada teknik plasma ke teknologi laser. Jika dahulu manusia bercita-cita mengimpal peralatan untuk membina rumah dan kenderaan mereka, kini mereka giat mencipta alatan untuk mengimpal organ-organ palsu mereka yang jauh lebih kompleks.