Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô-đun Chế tạo phôi hàn (Mã số mô-đun: HAN19MĐ01) là tài liệu giảng dạy chuyên môn bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Hàn ở trình độ Trung cấp và Cao đẳng, do Khoa Cơ khí Động lực thuộc Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam) biên soạn. Tài liệu được ban hành chính thức theo Quyết định số 196/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 do Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí phê duyệt, với ban biên soạn gồm các giảng viên: Trần Thanh Ngọc (Chủ biên), Trần Nam An và An Đình Quân.

Trong cấu trúc chương trình khung, mô-đun có thời lượng 2 tín chỉ (tổng cộng 60 giờ đào tạo), được bố trí giảng dạy sau khi người học đã hoàn thành các môn học chung và học song song hoặc sau các môn học cơ sở như Vật liệu cơ khí, Vẽ kỹ thuật 1, An toàn – vệ sinh lao động, Điện kỹ thuật cơ bản và Hóa đại cương. Vị trí của mô-đun đóng vai trò nền tảng kỹ thuật tiên quyết, cung cấp phôi kim loại đạt kích thước và hình học tiêu chuẩn để phục vụ trực tiếp cho các mô-đun gia công liên kết tiếp theo như Gá lắp kết cấu hàn (HAN19MĐ02), Hàn hồ quang tay (HAN19MĐ03, HAN19MĐ04), Hàn MIG/MAG (HAN19MĐ05), Hàn FCAW (HAN19MĐ06), Hàn TIG (HAN19MĐ07) và Hàn tự động dưới lớp thuốc (HAN19MĐ08).

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định trên ba phương diện:

  • Về kiến thức: Người học trình bày được nguyên lý cắt kim loại bằng ngọn lửa Oxy – khí cháy; giải thích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mỏ cắt khí, máy cắt khí tự động kiểu con rùa, máy mài cầm tay, máy mài hai đá cố định và các thiết bị phụ trợ an toàn; tính toán và khai triển phôi chính xác theo yêu cầu bản vẽ kỹ thuật.
  • Về kỹ năng: Vận hành thành thạo mỏ cắt khí cầm tay, máy cắt tự động con rùa và thiết bị mài; thiết lập chính xác các thông số công nghệ cắt; gia công cắt được các loại thép tấm, thép ống, thép định hình đúng dung sai kích thước và ít ba-via; kiểm tra, chỉnh sửa mép phôi đạt tiêu chuẩn gá hàn.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Tuân thủ nghiêm ngặt quy trình an toàn lao động, phòng chống cháy nổ và vệ sinh công nghiệp trong môi trường xưởng cơ khí; hình thành tác phong làm việc tỉ mỉ, trung thực và có tinh thần kỷ luật nghề nghiệp.

Cấu trúc giáo trình tiếp cận theo mô hình kết hợp lý thuyết công nghệ với kỹ năng thao tác thực hành xưởng, sắp xếp logic từ kỹ thuật gia công thủ công (Bài 1: 32 giờ), nâng cao lên gia công bán tự động cơ giới hóa (Bài 2: 16 giờ) và hoàn thiện chuẩn bị mép hàn bằng thiết bị mài (Bài 3: 12 giờ). Điểm đặc thù của tài liệu là sự chuẩn hóa các bảng thông số kỹ thuật thực nghiệm và quy tắc an toàn đối với hệ thống thiết bị áp lực cao đặc thù của ngành Dầu khí.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân chia thành 3 bài học chuyên đề có tính kế thừa và phát triển kỹ năng:

  • Bài 1: Chế tạo phôi hàn bằng mỏ cắt khí cầm tay (32 giờ - 6 giờ lý thuyết, 25 giờ thực hành, 1 giờ kiểm tra)

    • Kiến thức vật liệu: Phân loại kim loại đen (thép cacbon theo TCVN gồm nhóm chất lượng thường CT34s, thép kết cấu C45, thép dụng cụ CD80A; thép hợp kim theo TCVN 1759-75 như 12Cr18Ni9Ti, 50CrNiMo; các nhóm gang trắng, gang xám GX21-40, gang cầu GC45-15, gang dẻo GZ33-8) và kim loại màu (nhôm, đồng và hợp kim).
    • Thiết bị và dụng cụ: Cấu tạo bình oxy (dung tích 40 lít, áp suất nạp 150 bar/at chứa khoảng 6 $\text{m}^3$ khí), bình axetylen hòa tan trong axeton chứa khối xốp than hoạt tính (áp suất tối đa 16 at), bình sinh khí axetylen phản ứng đất đèn ($CaC_2 + 2H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2 + Q$), cấu tạo van giảm áp kiểu thuận/nghịch, ống dẫn khí cao su lưu hóa 3 lớp (màu xanh cho Oxy, màu đỏ cho Axetylen), bộ phận an toàn chống ngọn lửa tạt lại và dòng khí chạy ngược.
    • Chế độ và kỹ thuật cắt: Chọn số hiệu bép cắt (từ số 1 đến số 5 cho chiều dày 3 đến 100 mm), áp lực oxy (3 đến 8 bar), áp lực khí cháy (0,2 đến 0,8 bar), tốc độ cắt (75 đến 550 mm/phút), khoảng cách từ đầu bép đến bề mặt kim loại ($h = L + 3\text{ mm}$ với chiều dày $<100\text{ mm}$). Phân loại và điều chỉnh 3 dạng ngọn lửa dựa trên hệ số thể tích $\alpha = \frac{V_{O_2}}{V_{C_2H_2}}$: ngọn lửa trung tính ($\alpha = 1,1 \div 1,2$), ngọn lửa oxy hóa ($\alpha > 1,2$) và ngọn lửa cacbon hóa ($\alpha < 1,1$). Kỹ thuật dẫn hướng mỏ cắt góc nghiêng $20^\circ \div 30^\circ$ trên thép tấm, kỹ thuật cắt thép ống và thép hình. Quy chuẩn an toàn PCCC, vận chuyển và bảo quản bình khí nén.

  • Bài 2: Chế tạo phôi hàn từ vật liệu thép tấm bằng máy cắt khí tự động (16 giờ - 2 giờ lý thuyết, 13 giờ thực hành, 1 giờ kiểm tra)

    • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy cắt khí tự hành (máy con rùa): hệ thống động cơ di chuyển, ray dẫn hướng, bộ phận gá mỏ cắt và cụm van điều khiển lưu lượng khí.
    • Quy trình vận hành: lắp ráp bép cắt máy, căn chỉnh tâm mỏ cắt trùng vạch dấu, thiết lập ray dẫn, điều chỉnh tốc độ di chuyển của rùa cắt phù hợp chiều dày thép tấm, hiệu chỉnh góc nghiêng mỏ cắt để thực hiện vát mép đơn hoặc mép kép.
    • Kỹ thuật kiểm tra mép cắt tấm tự động, xử lý bề mặt, phòng tránh cong vênh biến dạng nhiệt trên kim loại tấm lớn.

  • Bài 3: Mài phôi hàn bằng máy mài cầm tay và máy mài hai đá (12 giờ - 2 giờ lý thuyết, 10 giờ thực hành)

    • Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy mài góc cầm tay và máy mài hai đá cố định.
    • Tiêu chuẩn kỹ thuật đá mài, quy tắc điều chỉnh khe hở bệ tỳ của máy mài cố định, kỹ thuật tháo lắp chổi than và đá mài bằng dụng cụ chuyên dùng.
    • Kỹ thuật cầm máy mài hai tay, định vị tư thế đứng chếch $45^\circ$ so với hướng tia lửa mài, kỹ thuật làm sạch ba-via xỉ cắt, mài phẳng mép và mài vát mép góc hàn theo bản vẽ.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  1. Bản chất nhiệt - hóa học của quá trình cắt bằng khí: Cơ chế đốt nóng kim loại đến nhiệt độ cháy ($1350^\circ\text{C}$ đối với thép cacbon thấp) nhờ ngọn lửa nung, sau đó mở luồng oxy kỹ thuật có độ tinh khiết cao ($98,5% \div 99,5%$) để oxy hóa sắt thành oxit ($Fe_3O_4, FeO$) và dùng động năng dòng oxy áp lực cao thổi xỉ lỏng ra khỏi rãnh cắt.
  2. Điều kiện nhiệt động học để kim loại cắt được bằng oxy:
    • Nhiệt độ cháy của kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của chính nó.
    • Nhiệt độ nóng chảy của oxit kim loại phải thấp hơn nhiệt độ cháy của kim loại.
    • Nhiệt lượng sinh ra từ phản ứng oxy hóa kim loại phải đủ lớn để duy trì quá trình cắt liên tục.
    • Độ dẫn nhiệt của kim loại không được quá cao để tránh tản nhiệt nhanh.
    • Xỉ tạo thành phải có độ chảy loãng cao để dễ dàng bị luồng khí đẩy ra ngoài.
  3. Hệ thống tiêu chuẩn ký hiệu vật liệu cơ khí: Quy tắc định danh thép và gang theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1659-75, TCVN 1759-75) phục vụ nhận diện chính xác tính hàn và tính cắt của phôi liệu gia công.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Khai triển hình học và vạch dấu phôi trên bề mặt kim loại có tính toán lượng dư bù rãnh cắt ($2,0 \div 5,5\text{ mm}$); lắp ráp đồng bộ hệ thống cấp khí áp lực cao (bình chứa, van giảm áp, ống mềm dẫn khí, van dập lửa tạt lại, mỏ cắt); kiểm tra độ kín bằng bọt xà phòng; kiểm tra độ hút mỏ cắt; căn chỉnh tỷ lệ hỗn hợp khí để đạt ngọn lửa trung tính; thao tác mỏ cắt cầm tay và máy con rùa để cắt đường thẳng, đường cong, phôi tròn và phôi hình.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đọc bản vẽ chi tiết cơ khí; phân tích khuyết tật bề mặt cắt (đường cắt lượn sóng do tốc độ không đều, cháy mép trên do nhiệt quá cao, dính xỉ chân rãnh do thiếu áp lực oxy cắt); xác định nguyên nhân và đưa ra biện pháp khắc phục sai lệch kích thước.
  • Kỹ năng an toàn và xử lý thiết bị (Practical competencies): Vận hành an toàn bình khí nén và máy sinh khí; xử lý rò rỉ khí gas/oxy; thao tác mài phẳng và mài vát mép bằng máy mài góc cầm tay với tư thế đứng đúng quy chuẩn bảo hộ lao động.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Mô-đun Chế tạo phôi hàn được thiết kế với cơ cấu thời lượng mang tính định hướng thực hành cao:

Hạng mục nội dung Tổng số giờ Lý thuyết Thực hành / Bài tập / Thảo luận Kiểm tra
Bài 1: Cắt phôi bằng mỏ cắt khí cầm tay 32 6 25 1
Bài 2: Cắt phôi thép tấm bằng máy cắt con rùa 16 2 13 1
Bài 3: Mài phôi bằng máy mài cầm tay và 2 đá 12 2 10 0
Tổng cộng toàn mô-đun 60 10 48 2

Tỷ trọng: Thời gian thực hành xưởng chiếm $80%$ tổng thời lượng ($48/60$ giờ), lý thuyết chiếm $16,7%$ ($10/60$ giờ) và kiểm tra chiếm $3,3%$ ($2/60$ giờ).

Phương pháp giảng dạy (Pedagogical approach)

  • Đối với giảng viên: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực. Giảng dạy lý thuyết ngắn gọn, nêu vấn đề kết hợp trình chiếu mô hình cấu tạo thiết bị; thực hiện thao tác mẫu trực tiếp tại xưởng cắt hàn; tổ chức giám sát thường xuyên trong suốt quá trình học viên thao tác; phân tích lỗi sai và hướng dẫn rút kinh nghiệm ngay trên sản phẩm cắt thực tế.
  • Trang thiết bị giảng dạy: Máy vi tính, máy chiếu projector, bảng viết, xưởng thực hành cắt hàn trang bị máy cắt khí con rùa, bộ mỏ cắt khí cầm tay, hệ thống bình oxy - axetylen/LPG, máy mài cầm tay, máy mài hai đá cố định, kính bảo hộ, phôi thép và phiếu học tập.

Phương pháp tổ chức học tập và bài tập thực hành

  • Tổ chức học tập theo nhóm nhỏ kết hợp cá nhân: một nhóm gồm 2 đến 4 học viên được trang bị 02 máy/vị trí thực hành. Học viên luân phiên thực hiện các vai trò: chuẩn bị thiết bị, khai triển vạch dấu, trực tiếp thao tác cắt/mài và đo đạc kiểm tra kích thước sản phẩm.
  • Bài tập thực hành được giao cụ thể theo tiến trình: cắt đường thẳng trên thép tấm mỏng và dày, cắt phôi ống tròn, cắt phôi thép góc/thép định hình, cắt tấm bằng máy con rùa chạy ray và mài vát mép phôi góc $30^\circ \div 45^\circ$.

Phương thức đánh giá kết quả (Assessment methods)

Căn cứ Quy chế đào tạo ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, hệ thống đánh giá của mô-đun được quy định cụ thể:

  • Đánh giá quá trình (Trọng số 40%):
    • 01 cột điểm kiểm tra thường xuyên (hệ số 1): Thực hiện sau 15 giờ học đầu tiên, đánh giá kỹ năng lắp ráp thiết bị, căn chỉnh ngọn lửa và cắt khí cầm tay cơ bản (Chuẩn đầu ra: A1, A2, B1, B2, B3, C1, C2).
    • 01 cột điểm kiểm tra định kỳ (hệ số 2): Thực hiện sau 45 giờ học, đánh giá kỹ năng vận hành máy cắt con rùa và độ chính xác kích thước phôi (Chuẩn đầu ra: A4, B4, C3).
  • Thi kết thúc mô-đun (Trọng số 60%): Bài thi thực hành tổng hợp độc lập sau 60 giờ đào tạo, chấm điểm theo thang điểm 10 làm tròn đến một chữ số thập phân, sau đó quy đổi sang điểm chữ và điểm số theo thang điểm 4.
  • Quy định chuyên cần: Học viên bắt buộc tham dự $100%$ các buổi thực hành xưởng; trường hợp vắng quá $1%$ số tiết thực hành sẽ không được dự thi kết thúc mô-đun và phải đăng ký học lại.

Điểm nổi bật và cập nhật

  1. Chuẩn hóa thông số công nghệ dạng bảng tra cứu thực nghiệm: Giáo trình tích hợp hệ thống 7 bảng dữ liệu kỹ thuật chi tiết giúp người học thiết lập chế độ cắt định lượng chính xác thay vì ước lượng cảm tính:

    • Bảng 1.2: Lựa chọn số hiệu bép cắt (từ số 1 đến số 5) tương ứng với các dải chiều dày kim loại ($3\div10\text{ mm}$, $10\div20\text{ mm}$, $20\div30\text{ mm}$, $30\div50\text{ mm}$, $50\div100\text{ mm}$).
    • Bảng 1.3 & 1.4: Chế độ cắt thép chi tiết bằng ngọn lửa Oxy – LPG và Oxy – Axetylen (áp lực khí, lưu lượng oxy cắt, oxy nung và lưu lượng khí cháy tính bằng lít/giờ).
    • Bảng 1.5: Áp lực khí oxy ($3 \div 8\text{ bar}$) và khí cháy ($0,2 \div 0,8\text{ bar}$) theo chiều dày vật liệu.
    • Bảng 1.6: Khoảng cách chuẩn từ đầu bép cắt đến bề mặt chi tiết ($6 \div 15\text{ mm}$).
    • Bảng 1.7: Độ rộng rãnh cắt thực nghiệm ($2,0 \div 5,5\text{ mm}$) tương ứng chiều dày thép ($5 \div 150\text{ mm}$).

  2. Cập nhật phân tích so sánh nhiên liệu khí công nghiệp: Tài liệu đối chiếu rõ nét giữa khí axetylen ($C_2H_2$) truyền thống và khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG). Giáo trình nêu rõ: Cắt bằng Oxy – Axetylen tạo nhiệt độ ngọn lửa cao ($3150^\circ\text{C}$), năng suất cao nhưng giá thành đắt và áp suất vượt $1,5\text{ at}$ dễ gây nổ; trong khi cắt bằng Oxy – LPG có nhiệt độ ngọn lửa đạt $2800^\circ\text{C}$, nhiệt lượng tập trung, chi phí rẻ và an toàn hơn, hiện đang được sử dụng phổ biến trong chế tạo cơ khí và kết cấu dầu khí.

  3. Thiết lập quy trình an toàn nghiêm ngặt cho thiết bị áp lực cao: Giáo trình quy định cụ thể các giải pháp kỹ thuật phòng ngừa sự cố nổ ngược (cháy tạt lại) thông qua việc bố trí bộ dập lửa tạt lại trên hệ thống cấp khí, quy tắc kiểm tra mức nước trong bình ngăn lửa của máy sinh khí (2 lần/ca, rửa bình 1 lần/tháng), yêu cầu cách ly bình khí với nguồn dầu mỡ và duy trì khoảng cách an toàn với nguồn nhiệt tối thiểu $5 \div 6\text{ mét}$ (hoặc vách ngăn chống cháy chịu lửa 1,5 giờ cao tối thiểu $1,5\text{ m}$).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên, học viên: Người học hệ Cao đẳng và Trung cấp nghề Hàn, Cắt gọt kim loại, Chế tạo thiết bị cơ khí và Lắp đặt giàn khoan/đường ống dầu khí.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
    • Hoàn thành các môn học chung đại cương (Chính trị, Pháp luật, Giáo dục quốc phòng, Tin học, Tiếng Anh).
    • Hoàn thành hoặc học song song các môn học cơ sở: Vẽ kỹ thuật 1 (CK19MH01 - đọc hiểu bản vẽ chi tiết và hình khai triển), Vật liệu cơ khí (CK19MH04 - nắm vững tính chất cơ lý hóa của thép cacbon, thép hợp kim, gang và kim loại màu), An toàn – vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Điện kỹ thuật cơ bản (ĐKT19MH01) và Hóa đại cương (CNH19MH09).
  • Giảng viên chuyên ngành cơ khí: Sử dụng làm giáo trình khung để xây dựng giáo án lý thuyết, lập phiếu hướng dẫn luyện tập thực hành xưởng, định mức tiêu hao nguyên vật liệu (khí Oxy, khí LPG/Axetylen, phôi thép, đá mài) và thiết lập bảng kiểm đánh giá kỹ năng (checklist).
  • Kỹ thuật viên và công nhân cơ khí: Tài liệu tham khảo tại hiện trường xưởng để tra cứu áp suất khí nén, thông số bép cắt, quy chuẩn vận hành xe rùa tự động và quy trình bảo dưỡng an toàn thiết bị gia công nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho học viên hệ Trung cấp và sinh viên hệ Cao đẳng nghề Hàn. Ngoài ra, tài liệu phù hợp cho công nhân cơ khí, thợ hàn cần chuẩn hóa kỹ năng gia công chuẩn bị phôi hàn và bồi dưỡng an toàn vận hành thiết bị khí nén công nghiệp.

2. Cần trang bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học mô-đun này?

Người học cần nắm vững kiến thức từ các môn tiên quyết: Vẽ kỹ thuật cơ khí (để đọc kích thước và khai triển hình học phôi), Vật liệu cơ khí (để nhận diện mác thép CT34, C45, CD80A và tính chất chịu nhiệt của kim loại), Hóa đại cương (hiểu phản ứng cháy oxy hóa của kim loại) và An toàn lao động xưởng cơ khí.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu hàn cắt tổng quát là gì?

Tài liệu tập trung chuyên sâu vào công đoạn chế tạo phôi ban đầu với tỷ trọng thực hành chiếm $80%$ thời lượng. Toàn bộ thông số công nghệ (áp lực khí, số hiệu bép, tốc độ cắt, khoảng cách mỏ cắt) đều được lượng hóa thành bảng số liệu thực nghiệm, kết hợp chặt chẽ từ thao tác mỏ cắt cầm tay đến máy cắt tự động con rùa và kỹ thuật mài mép phôi.

4. Phương pháp nào giúp người học tự học và rèn luyện kỹ năng hiệu quả?

Học viên cần nghiên cứu trước lý thuyết và quy trình công nghệ trong giáo trình trước khi vào xưởng; tham gia đầy đủ trên $99%$ thời lượng thực hành; làm việc theo nhóm 2-4 người để quan sát, hỗ trợ thao tác; rèn luyện kỹ năng quan sát màu sắc ngọn lửa (trung tính, oxy hóa, cacbon hóa), theo dõi hướng tia xỉ chảy để tự điều chỉnh tốc độ cắt và tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc an toàn PCCC.

5. Có những tài liệu tham khảo bổ trợ nào được nêu trong giáo trình?

Giáo trình được biên soạn dựa trên các tài liệu tham khảo chuyên ngành chính thống:

  • Công nghệ chế tạo phôi – Nguyễn Tiến Đào (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006).
  • Khai triển hình gò – Trần Văn Giản (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1978).
  • Hàn cắt kim loại – Ixô-Cô-Lốp (NXB Công nhân Kỹ thuật, 1984).
  • Chương trình đào tạo Chuyên gia hàn quốc tế – Trung tâm Đào tạo và Chuyển giao Công nghệ Việt – Đức (2006).

Kết luận

Giáo trình mô-đun Chế tạo phôi hàn (HAN19MĐ01) của Trường Cao đẳng Dầu khí là tài liệu đào tạo nghề chuẩn mực, cung cấp đầy đủ nguyên lý công nghệ cắt nhiệt, dữ liệu thông số thực nghiệm và quy trình an toàn lao động trong gia công cơ khí.

Lộ trình học tập đề xuất:

  1. Nắm vững bản chất nhiệt - hóa và điều kiện cắt của kim loại.
  2. Làm chủ quy trình lắp ráp, thử kín và vận hành an toàn hệ thống mỏ cắt khí cầm tay (Bài 1).
  3. Nâng cao năng suất và độ chính xác phẳng mép với máy cắt khí tự động con rùa (Bài 2).
  4. Hoàn thiện chất lượng mép vát và kích thước hình học bằng thiết bị mài (Bài 3).

Hoàn thành mô-đun này tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc để người học tiếp tục làm chủ các kỹ thuật gá lắp kết cấu (HAN19MĐ02) và thực hiện các quy trình công nghệ hàn hồ quang tay, MIG/MAG, TIG, FCAW và hàn tự động trong chương trình đào tạo nghề Hàn chuyên nghiệp.