BÀI MÔ TẢ HỌC THUẬT: GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN 15 - HÀN CẮT KHÍ (NGHÈ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CƠ KHÍ)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Mô đun 15: Hàn cắt khí (Mã số: MĐ15) là tài liệu đào tạo chuyên môn thuộc hệ thống chương trình khung quốc gia nghề Chế tạo thiết bị cơ khí ở trình độ Cao đẳng. Tài liệu được ban hành chính thức theo Quyết định số 99/QĐ-CĐKTCNQN ngày 14 tháng 3 năm 2018 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn (tỉnh Bình Định), do tác giả Mạc Thanh Lâm làm chủ biên với sự hỗ trợ chuyên môn từ Bộ môn Hàn và Chế tạo thiết bị.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo nghề Chế tạo thiết bị cơ khí, mô đun Hàn cắt khí mang tính chất nghề bổ trợ, được tổ chức giảng dạy tiếp nối ngay sau mô đun Kỹ thuật khai triển hình gò. Mô đun có kết cấu tích hợp đồng bộ giữa lý thuyết chuyên ngành và thực hành thao tác với tổng thời lượng quy chuẩn là 90 giờ, bao gồm 30 giờ lý thuyết, 58 giờ thực hành và 02 giờ kiểm tra định kỳ.

Mục tiêu học tập của giáo trình hướng đến việc trang bị cho người học:

  • Hệ thống kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, tính năng và phương pháp vận hành các trang thiết bị, dụng cụ hàn cắt bằng ngọn lửa khí cháy.
  • Cơ sở tính toán và thiết lập các thông số công nghệ (chế độ hàn, áp lực khí, góc nghiêng và quỹ đạo dịch chuyển của mỏ hàn, que hàn).
  • Kỹ năng gia công thực tế trên các liên kết cơ bản (hàn giáp mối tấm phẳng, hàn góc chữ T, hàn ống xoay) và kỹ thuật cắt đứt kim loại bằng mỏ cắt cầm tay lẫn máy cắt bán tự động.
  • Năng lực kiểm soát sai hỏng sản phẩm và tuân thủ các quy tắc an toàn kỹ thuật phòng chống cháy nổ trong môi trường áp lực cao.

Cấu trúc giáo trình được thiết kế tích hợp theo từng bài học độc lập tương ứng với các dạng liên kết và phương pháp công nghệ cụ thể. Điểm đặc thù của tài liệu là sự chuẩn hóa các thông số công nghệ dựa trên việc tổng hợp tài liệu hàn quốc tế và trong nước, đồng thời tiếp thu ý kiến đóng góp từ các doanh nghiệp cơ khí chế tạo trực tiếp.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                             GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN 15: HÀN CẮT KHÍ (90 GIỜ)
   KHỐI KỸ THUẬT HÀN KHÍ (OAW)                                                   KHỐI KỸ THUẬT CẮT KHÍ

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình phân chia nội dung giảng dạy thành 7 bài học logic, phân bổ tuần tự từ lý thuyết thiết bị cơ sở, kỹ năng tạo liên kết hàn đến kỹ thuật cắt kim loại:

  • Bài 1: Mở đầu (6 giờ lý thuyết): Khái quát bản chất quá trình hàn khí ($OAW$), ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng trong gia công kim loại màu, gang, thép mỏng và sửa chữa chi tiết đúc. Phân tích chi tiết đặc tính kỹ thuật của khí ôxy kỹ thuật (độ tinh khiết $98 - 99,5%$, hóa lỏng từ không khí, chứa trong chai 40 lít nạp áp suất $150 - 160\text{ at}$) và khí axêtylen ($C_2H_2$, điều chế từ đất đèn $CaC_2$, giới hạn nổ trong không khí $2,3 - 81%$, trong oxy $2,3 - 93%$). Mô tả cấu tạo, phân loại máy sinh khí axêtylen (kiểu khô, kiểu ướt; áp suất thấp $<0,1\text{ at}$, trung bình $0,1 - 1,5\text{ at}$, cao $>1,5\text{ at}$), van giảm áp đơn cấp, ống dẫn khí và cấu tạo 3 vùng ngọn lửa hàn.
  • Bài 2: Hàn giáp mối không vát cạnh vị trí hàn bằng 1G (15 giờ: 6 LT, 8 TH, 1 KT): Hướng dẫn chế độ hàn giáp mối thép tấm dày từ $1,5 - 3,5\text{ mm}$ (mác thép CT3); công thức xác định công suất ngọn lửa $V_{C2H2} = (100 \div 120)\cdot \delta$ (lít/giờ); công thức tính đường kính que hàn phụ khi hàn trái $d = \frac{\delta}{2} + 1\text{ mm}$; kỹ thuật khống chế góc nghiêng mỏ hàn $30^\circ - 40^\circ$ và dao động bán nguyệt.
  • Bài 3: Hàn góc chữ T không vát cạnh vị trí hàn ngang 2F (12 giờ: 6 LT, 6 TH): Phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng góc và co ngang của kết cấu chữ T; các biện pháp kiểm soát biến dạng (bố trí gân tăng cứng, phân đoạn nghịch, nung nóng sơ bộ); kỹ thuật điều chỉnh ngọn lửa trung tính với góc mỏ hàn $35^\circ$ so với mặt phẳng ngang và chĩa $75^\circ$ ngược hướng hàn trên phôi dày $2\text{ mm}$.
  • Bài 4: Hàn ống xoay ở vị trí 1GR (12 giờ: 3 LT, 9 TH): Cơ sở lý thuyết hướng tâm của mỏ hàn đối với bề mặt cong; quy trình gá đính 3 điểm định vị trên thanh thép V63; kỹ thuật thực hiện mối hàn gián đoạn qua 4 cung phần tư ($2\text{h} \rightarrow 11\text{h}$, $8\text{h} \rightarrow 5\text{h}$, $11\text{h} \rightarrow 8\text{h}$ và $4\text{h} \rightarrow 2\text{h}$) trên phôi ống dày $3,5\text{ mm}$.
  • Bài 5: Cắt thép tấm bằng ôxy và khí gas (15 giờ: 3 LT, 12 TH): Nguyên lý cắt kim loại bằng phản ứng cháy trong dòng ôxy thuần khiết; cấu tạo mỏ cắt cầm tay kiểu hút; quy trình định vị, vạch dấu, gia nhiệt điểm mồi cắt và điều chỉnh tốc độ dịch chuyển mỏ cắt.
  • Bài 6: Cắt thép hình bằng ôxy và khí gas (15 giờ: 3 LT, 12 TH): Kỹ thuật xác lập chế độ áp lực khí cắt và phương pháp dịch chuyển mỏ cắt thích ứng với hình học tiết diện thép hình (thép góc V, thép chữ U, I).
  • Bài 7: Cắt thép tấm bằng máy cắt bán tự động (15 giờ: 3 LT, 12 TH, 1 KT): Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy cắt rùa (xe rùa dẫn hướng ray); kỹ thuật gá lắp ray thẳng/ray tròn; phương pháp chọn áp lực khí và thiết lập tốc độ cắt cơ giới nhằm nâng cao độ chính xác bề mặt mép cắt.
       BẢNG TỔNG HỢP PHÂN BỔ THỜI LƯỢNG MÔ ĐUN HÀN CẮT KHÍ (MĐ15)

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp các cơ sở khoa học kỹ thuật chuyên sâu liên quan đến công nghệ gia công nóng:

  1. Lý thuyết nhiệt hóa học và phản ứng sinh khí:
    • Phản ứng nhiệt phân đất đèn điều chế axêtylen: $$\text{CaC}_2 + 2\text{H}_2\text{O} = \text{C}_2\text{H}_2\uparrow + \text{Ca(OH)}_2\downarrow + Q$$ (Tính toán: 1 kg đất đèn phân hủy tiêu hao $0,5$ lít nước theo lý thuyết, tỏa $400\text{ kcal}$ và sinh ra $220 - 230$ lít khí $C_2H_2$; thực tế buồng phản ứng cần $10 - 20$ lít nước/kg đất đèn để kiểm soát nhiệt độ dưới $60^\circ\text{C}$).
    • Phản ứng tôi vôi sống tạo đất đèn trong lò điện: $$\text{CaCO}_3 = \text{CaO} + \text{CO}_2\uparrow \quad\text{và}\quad \text{CaO} + 3\text{C} = \text{CaC}_2 + \text{CO}\uparrow$$
    • Cấu trúc ngọn lửa hàn dựa trên tỷ lệ hòa trộn thể tích:
      • Tỷ lệ $O_2/C_2H_2 < 1,1$: Ngọn lửa cacbon hóa (thừa $C$, nhiệt độ cao, dùng hàn gang, hàn đắp hợp kim).
      • Tỷ lệ $O_2/C_2H_2 = 1,1 - 1,2$: Ngọn lửa trung hòa/bình thường (vùng hoàn nguyên cách nhân $2 - 3\text{ mm}$ đạt cực đại $3200^\circ\text{C}$ chứa $CO$ và $H_2$, dùng hàn thép).
      • Tỷ lệ $O_2/C_2H_2 > 1,2$: Ngọn lửa ôxy hóa (thừa $O_2$, nhân ngọn lửa ngắn, dùng hàn đồng thau, tẩy hớt bề mặt).
  2. Cơ học lưu chất và nguyên lý thiết bị áp lực:
    • Cấu tạo van giảm áp đơn cấp: Cơ chế cân bằng tự động giữa áp lực màng đàn hồi, lò xo cao áp/hạ áp để hạ áp suất khí $O_2$ từ $150\text{ at}$ xuống $1 - 15\text{ at}$, và hạ áp khí $C_2H_2$ từ $15\text{ at}$ xuống $0,05 - 1,5\text{ at}$.
    • Nguyên lý buồng trộn mỏ hàn kiểu hút: Dòng $O_2$ phun vận tốc cao tạo độ chân không hút dòng $C_2H_2$ áp suất thấp ($0,01 - 0,2\text{ at}$).
  3. Lý thuyết ứng suất, biến dạng và công nghệ xử lý sau hàn:
    • Nguyên lý co ngót ngang, co ngót dọc của liên kết hàn.
    • Chế độ ủ nhiệt khử ứng suất dư cho thép ở khoảng nhiệt độ $560^\circ\text{C} - 660^\circ\text{C}$.
    • Kỹ thuật khử biến dạng: Gõ búa cơ học ($0,5 - 1,25\text{ kg}$) khi nhiệt độ mối hàn $>500^\circ\text{C}$ hoặc $<300^\circ\text{C}$; phương pháp nắn nóng cục bộ bằng ngọn lửa và nắn nguội bằng máy cán.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật thao tác: Lắp đặt chai chứa khí, van giảm áp, đường ống cao su ($9,5\text{ mm}$); kiểm tra độ kín hệ thống bằng nước xà phòng; thao tác châm lửa, điều chỉnh công suất ngọn lửa; dẫn hướng mỏ hàn với tốc độ ổn định ($300 - 350\text{ mm/phút}$); vận hành mỏ cắt thủ công và thiết lập thông số máy cắt khí bán tự động.
  • Kỹ năng tính toán và phân tích công nghệ: Tra cứu và lựa chọn áp suất làm việc (Áp kế thấp khí $O_2$: $2,5 - 3,5\text{ kg/cm}^2$; Axêtylen: $0,3 - 0,4\text{ kg/cm}^2$); tính toán đường kính que hàn phụ phù hợp với chiều dày phôi $\delta$; lập phương án thứ tự mối hàn (hàn phân đoạn nghịch, hàn đối xứng) nhằm giảm thiểu biến dạng hình học của kết cấu.
  • Kỹ năng đánh giá và xử lý sai hỏng: Nhận diện và xử lý các khuyết tật mối hàn: hiện tượng chảy lõm, thiếu độ mô cao (do công suất ngọn lửa quá lớn hoặc dao động que quá nhanh); rỗ khí (do ngọn lửa thừa oxy); không ngấu, vón cục (do ngọn lửa yếu hoặc dịch chuyển mỏ hàn quá nhanh); cong vênh, biến dạng (do vùng ảnh hưởng nhiệt rộng).

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được biên soạn phục vụ mô hình dạy học tích hợp chuyên sâu, kết hợp liền mạch giữa thuyết giảng nguyên lý khoa học và hướng dẫn luyện tập kỹ năng cơ khí:

                            TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN BÀI HỌC TÍCH HỢP
  • Quy trình 5 bước thực hiện chuẩn hóa:
    • Bước 1: Đọc bản vẽ chi tiết gia công, chuẩn bị thiết bị, dụng cụ, kiểm tra an toàn hệ thống cấp khí.
    • Bước 2: Kiểm tra kích thước phôi, vệ sinh mép hàn/đường cắt (khử pavia, dầu mỡ), tính toán và chọn chế độ làm việc.
    • Bước 3: Châm lửa, hiệu chỉnh ngọn lửa trung hòa, tiến hành hàn gá đính các điểm cố định theo khoảng cách quy định.
    • Bước 4: Thực hiện quá trình hàn hoặc cắt theo kỹ thuật chuyên biệt (duy trì góc độ mỏ hàn, chuyển động dao động que hàn, tốc độ cắt).
    • Bước 5: Làm sạch xỉ, kiểm tra ngoại dạng mối hàn/mép cắt, đối chiếu dung sai kích thước.
  • Hệ thống bài tập thực hành ứng dụng:
    • Bài tập Bài 2 (Phụ lục I): Hàn giáp mối vị trí 1G trên thép tấm mác CT3 dày $1,2\text{ mm}$, yêu cầu chiều rộng đường hàn $6 \pm 1\text{ mm}$, độ mô cao $0,5\text{ mm}$, kích thước hoàn thiện $200 \pm 1 \times 200\text{ mm}$. Thời gian thực hiện: 02 giờ.
    • Bài tập Bài 3 (Phụ lục II): Chế tạo phôi và hàn góc chữ T vị trí 2F trên thép tấm dày $2,0\text{ mm}$, bép hàn số 1 hoặc số 2, thời gian thực hiện 02 giờ.
    • Bài tập Bài 4 (Phụ lục III): Chế tạo phôi và hàn nối ống xoay vị trí 1GR trên ống thép dày $3,5\text{ mm}$, khe hở lắp ghép $a = 1,75\text{ mm}$, thời gian thực hiện 02 giờ.
  • Phương pháp kiểm tra, đánh giá: Áp dụng hệ thống tiêu chí định lượng về chất lượng kỹ thuật: độ ngấu chân mối hàn, độ mịn đồng đều của vảy hàn, mức độ khuyết cạnh, độ thẳng tâm của ống tròn sau khi hàn, độ phẳng mép cắt và mức độ bám dính xỉ kim loại.
  • Hướng dẫn tự học: Sinh viên nghiên cứu hệ thống bảng tra áp lực khí và bép hàn; giải quyết các câu hỏi tính toán chế độ nhiệt lượng; luyện tập vẽ sơ đồ dịch chuyển dao động mỏ hàn trước khi vận hành trực tiếp tại xưởng.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Khung chương trình theo định hướng chuẩn hóa kỹ năng: Nội dung được thiết kế tương thích với các tiêu chuẩn nghề quốc gia trong nhóm ngành Cơ khí chế tạo, chuẩn hóa các ký hiệu vị trí mối hàn theo quy ước quốc tế ($1G, 2F, 1GR, OAW$).
  • Tích hợp công nghệ cắt khí bán tự động: Bên cạnh phương pháp cắt thủ công bằng mỏ cắt cầm tay, giáo trình cập nhật nội dung cơ giới hóa nguyên công cắt phôi tấm thông qua việc trang bị bài giảng vận hành máy cắt xe rùa (Bài 7), nâng cao năng suất cắt và đáp ứng yêu cầu gia công phôi trong sản xuất công nghiệp.
  • Gắn kết thực tiễn sản xuất và doanh nghiệp: Các thông số công nghệ, quy trình chuẩn bị mép hàn và phương pháp khắc phục khuyết tật được nhóm biên soạn tổng hợp từ thực tiễn sản xuất tại các doanh nghiệp cơ khí khu vực Miền Trung – Tây Nguyên và chương trình đào tạo của các trường Đại học, Cao đẳng kỹ thuật.
  • Dữ liệu kỹ thuật chi tiết: Cung cấp đầy đủ các hằng số vật lý, công thức thực nghiệm tính lượng tiêu hao khí $V_{C2H2}$, áp suất thử nghiệm vỏ chai ($O_2$ thử áp $225\text{ at}$, nạp $150\text{ at}$; $C_2H_2$ thử áp $30\text{ at}$, nạp $15\text{ at}$), các bảng tra kích thước dây hàn phụ và bép hàn tương ứng với từng dải chiều dày kim loại.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên trình độ Cao đẳng: Tài liệu học tập bắt buộc của sinh viên chuyên ngành Chế tạo thiết bị cơ khí. Để tiếp thu hiệu quả mô đun này, người học cần có kiến thức tiên quyết về An toàn lao động, Vẽ kỹ thuật cơ khí, Dung sai lắp ghép và hoàn thành mô đun Kỹ thuật khai triển hình gò.
  • Giảng viên chuyên ngành Cơ khí - Hàn: Sử dụng làm căn cứ chuyên môn để lập kế hoạch giảng dạy, biên soạn giáo án lý thuyết và bài tập thực hành tích hợp, chuẩn bị vật tư phôi liệu, thiết lập tiêu chí đánh giá kỹ năng nghề tại xưởng thực hành.
  • Kỹ thuật viên và công nhân cơ khí: Dùng làm tài liệu tra cứu các bảng thông số chế độ hàn cắt, công thức xác định lưu lượng khí cháy, nguyên lý xử lý biến dạng kết cấu sau hàn và các quy định an toàn khi sử dụng thiết bị áp lực và khí cháy nổ trong phân xưởng sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với chương trình đào tạo nào?

Giáo trình được thiết kế chuẩn hóa cho mô đun 15 (MĐ15) thuộc chương trình đào tạo nghề Chế tạo thiết bị cơ khí trình độ Cao đẳng, đồng thời có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghề Cắt gọt kim loại, Hàn và Sửa chữa cơ khí.

2. Người học cần đáp ứng điều kiện tiên quyết nào trước khi học mô đun này?

Sinh viên cần hoàn thành mô đun Kỹ thuật khai triển hình gò, có kỹ năng đọc bản vẽ cơ khí, hiểu biết về an toàn lao động cơ bản và nắm được các tính chất nhiệt lý cơ bản của vật liệu kim loại.

3. Giáo trình có điểm gì khác biệt so với các tài liệu hàn hồ quang điện?

Tài liệu tập trung chuyên sâu vào phương pháp gia công bằng năng lượng nhiệt hóa học của ngọn lửa khí cháy ($O_2 - C_2H_2$), đi sâu vào cấu tạo các thiết bị áp lực (chai chứa, máy sinh khí, van giảm áp đơn cấp, mỏ hàn kiểu hút) và kỹ thuật phối hợp hai tay giữa mỏ hàn và que hàn phụ, khác biệt hoàn toàn với nguyên lý hàn hồ quang điện.

4. Làm thế nào để học tập và rèn luyện kỹ năng hiệu quả theo giáo trình?

Người học cần kết hợp nắm chắc các công thức tính toán chế độ hàn ($V_{C2H2}$, đường kính que hàn $d$, áp suất khí), hiểu rõ bản chất 3 vùng ngọn lửa, và tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thực hành 5 bước từ khâu gá đính, kiểm soát bể hàn đến khâu tự kiểm tra ngoại dạng và kích thước liên kết.

5. Giáo trình có cung cấp các tài liệu và bản vẽ chi tiết đi kèm không?

Tài liệu cung cấp hệ thống câu hỏi ôn tập lý thuyết cuối mỗi bài, bảng định lượng chế độ khí hàn/cắt và các bản vẽ chi tiết gia công đính kèm tại các Phụ lục I, II, III làm căn cứ thực hiện bài tập thực hành gia công sản phẩm.

Kết luận

Giáo trình Mô đun 15: Hàn cắt khí do Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn ban hành là tài liệu kỹ thuật mô tả đầy đủ các cơ sở khoa học và quy trình công nghệ hàn cắt bằng ngọn lửa khí cháy.

Lộ trình học tập được thiết kế tuần tự từ việc làm chủ nguyên lý thiết bị và an toàn áp lực khí (Bài 1), rèn luyện kỹ năng thực hiện các mối hàn giáp mối 1G, hàn góc 2F, hàn ống xoay 1GR (Bài 2, 3, 4), đến việc làm chủ kỹ thuật cắt kim loại thủ công và cơ khí hóa bán tự động bằng xe rùa (Bài 5, 6, 7).

Nội dung giáo trình kết hợp với hệ thống bản vẽ gia công chi tiết tại các phụ lục tạo thành tài liệu phục vụ công tác giảng dạy, học tập và tra cứu kỹ thuật trong lĩnh vực gia công chế tạo cơ khí.