Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun "Hàn hồ quang tay nâng cao" (Mã mô đun: MĐ19) là tài liệu đào tạo chuyên môn nghề thuộc chương trình đào tạo trình độ Trung cấp nghề Hàn, được ban hành kèm theo Quyết định số 234/QĐ–CĐN ngày 05 tháng 08 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam (trực thuộc Sở Lao động – Thương binh và Xã hội tỉnh Hà Nam), do tác giả Bùi Việt Thắng tham gia biên soạn.

Trong cấu trúc chương trình khung quốc gia nghề Hàn, mô đun MĐ19 được bố trí giảng dạy bắt buộc sau khi người học đã hoàn thành mô đun Hàn hồ quang tay cơ bản, đồng thời học song song hoặc kế tiếp sau các môn học kỹ thuật cơ sở từ MH07 đến MH12 và các mô đun chuyên môn MĐ13, MĐ15, MĐ16, MĐ17, MĐ18. Mô đun đóng vai trò trang bị kỹ thuật thực hiện các mối hàn ở những vị trí không gian có độ khó cao thường gặp trong sản xuất công nghiệp và gia công kết cấu kim loại.

Mục tiêu học tập của giáo trình được thiết lập trên ba khía cạnh:

  • Kiến thức: Giải thích khái niệm, tính chất vật liệu hàn, cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy hàn hồ quang xoay chiều/một chiều; tính toán chính xác các thông số chế độ hàn (đường kính que hàn $d$, cường độ dòng điện $I_h$, điện áp hàn $U_h$, tốc độ hàn $V_h$, năng lượng đường $q_đ$, số lớp hàn $n$, thời gian hàn $T_h$) phù hợp với chiều dày phôi, tính chất vật liệu và kiểu liên kết.
  • Kỹ năng: Thực hiện chuẩn xác các thao tác hàn góc ở vị trí trần (4F), hàn giáp mối ở vị trí ngửa (4G), hàn ống xoay (1G) và hàn ống cố định (2G); phát hiện, phân tích nguyên nhân khuyết tật và vận hành quy trình hàn sửa chữa, kiểm tra chất lượng mối hàn theo quy định.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện năng lực làm việc độc lập hoặc phối hợp nhóm, tổ chức phân xưởng an toàn lao động, giám sát quy trình và đánh giá chất lượng sản phẩm hàn của cá nhân cũng như các thành viên trong tổ sản xuất.

Giáo trình được tiếp cận theo phương pháp tích hợp lý thuyết kỹ thuật công nghệ với thực hành thao tác xưởng. Điểm đặc sắc của tài liệu là việc chuẩn hóa các công thức tính toán chế độ hàn nhiệt động học, gắn liền thao tác tay nghề với hệ thống tiêu chuẩn kiểm định quốc tế (EN/ISO) và quy trình xử lý khuyết tật mối hàn chuyên sâu.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình được kết cấu thành 4 bài học tích hợp, tương ứng với các vị trí hàn không gian chuyên sâu:

  1. Bài 1: Hàn góc ở vị trí 4F (Mã bài: MĐ 19 - 01):

    • Hướng dẫn kỹ thuật hàn liên kết chữ T không vát cạnh, vát một cạnh và vát hai cạnh ở vị trí trần (4F).
    • Phân tích cơ chế chuyển dịch giọt kim loại lỏng ngược chiều trọng lực, kỹ thuật khống chế vũng hàn bằng chiều dài hồ quang ngắn ($l_{hq}$ ngắn), điều chỉnh góc độ que hàn ($75^\circ - 80^\circ$) và phương pháp dao động que hàn (đường thẳng, tam giác lệch).
    • Thiết lập công thức tính toán thông số chế độ hàn, kiểm soát khuyết tật chảy xệ, cháy cạnh và lẫn xỉ.

  2. Bài 2: Hàn giáp mối ở vị trí 4G (Mã bài: MĐ 19 - 02):

    • Trình bày công nghệ hàn giáp mối tư thế ngửa (4G) cho thép tấm phẳng không vát cạnh, vát mép hình chữ V và chữ X trên thép tấm CT3 (chiều dày từ 6 mm đến 10 mm).
    • Quy định trình tự hàn phân lớp: hàn lớp lót (sử dụng que hàn $\Phi 2.5\text{ mm}$, dòng điện $I_h = 80\text{A}$, dao động đường thẳng/đường thẳng đi lại) và các lớp phủ/lớp sau (sử dụng que hàn $\Phi 3.2\text{ mm}$, dòng điện $I_h = 80\text{A}$, dao động hình răng cưa hoặc bán nguyệt).
    • Hướng dẫn kỹ thuật gá đính, xác định khe hở đáy $a$, góc vát và chiều dày mép cùn $p$.

  3. Bài 3: Hàn ống ở vị trí 1G (Mã bài: MĐ 19 - 03):

    • Đào tạo kỹ thuật hàn ống giáp mối xoay (1GR) áp dụng trong chế tạo bồn bể và đường ống công nghệ (kích thước ống mẫu $\Phi 60 \times 5 \times 50\text{ mm}$).
    • Kỹ thuật định vị ống trên đồ gá thép hình V50, kỹ thuật phân đoạn hàn và nguyên lý xoay phôi để duy trì vị trí hàn thuận lợi, phương pháp thay đổi liên tục góc độ que hàn theo độ cong của đường kính ống.

  4. Bài 4: Hàn ống ở vị trí 2G (Mã bài: MĐ 19 - 04):

    • Đào tạo kỹ thuật hàn giáp mối ống thép ở vị trí trục ống đặt thẳng đứng cố định, đường hàn nằm trên mặt phẳng ngang (2G).
    • Kiểm soát kim loại lỏng chống chảy xệ về mép dưới của rãnh hàn và kỹ thuật phân bố nhiệt lượng đối xứng.

Progression logic (Tính logic tiến triển): Cấu trúc nội dung phát triển theo cấp độ phức tạp tăng dần của không gian hàn: đi từ hàn góc trần (4F) đến hàn giáp mối trần (4G) trên kết cấu tấm phẳng; sau đó chuyển sang kết cấu không gian hình học mặt trụ với ống xoay (1G) và kết thúc ở liên kết ống trục đứng cố định (2G).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống công thức giải tích xác định chính xác các thông số công nghệ hàn hồ quang tay (SMAW / MMA - 111):

  • Đường kính que hàn ($d$):
    • Mối hàn góc: $d = \frac{K}{2} + 2$ (với $K$ là kích thước cạnh mối hàn).
    • Mối hàn giáp mối: $d = \frac{S}{2} + 1$ (với $S$ là chiều dày chi tiết hàn).
  • Diện tích tiết diện ngang kim loại đắp ($F_đ$): Tính toán theo cạnh $K$ và hệ số lồi $K_y$ ($K_y = 1.15 \div 1.5$ tương ứng với $K = 3 \div 20\text{ mm}$).
  • Cường độ dòng điện hàn ($I_h$): Xác định theo công thức thực nghiệm $I_h = (\alpha + \beta \cdot d)$ hoặc $I_h = (k + k_1 \cdot d)$ (với $\alpha=20, \beta=6; k=35\div 50, k_1=20\div 25$). Khi hàn trần (4F, 4G), dòng điện phải giảm $15% \div 20%$ so với hàn bằng; khi hàn đứng giảm $10% \div 15%$.
  • Điện áp hàn ($U_h$): $U_h = a + b \cdot l_{hq}$ (với $a = 15 \div 20\text{ V}$ là tổng điện áp rơi trên anốt/catốt; $b = 15.7\text{ V/cm}$; $l_{hq} = 0.32\text{ cm} \Rightarrow U_h = 20 \div 25\text{ V}$, giá trị chọn danh định $U_h = 22\text{ V}$).
  • Số lớp hàn tối thiểu ($n$): $n = 1 + \frac{F_đ - F_1}{F_n}$ với tiết diện lớp thứ nhất $F_1 = (6 \div 8)d$.
  • Tốc độ hàn ($V_h$): $V_h = \frac{\alpha_đ \cdot I_h}{3600 \cdot \gamma \cdot F_đ}$ (với hệ số đắp $\alpha_đ = 7 \div 11\text{ g/A}\cdot\text{h}$, khối lượng riêng thép $\gamma = 7.8\text{ g/cm}^3$).
  • Năng lượng đường ($q_đ$): $q_đ = \frac{0.24 \cdot \eta \cdot U_h \cdot I_h}{V_h} = M \cdot F_đ$ (với hiệu suất hồ quang $\eta = 0.60 \div 0.80$, hằng số thực nghiệm thép $M = 14500$).
  • Thời gian hàn ($T_h$): $T_h = \frac{T_0}{m}$ (với $T_0$ là thời gian cơ bản cháy hồ quang, $m = 0.3 \div 0.5$ là hệ số tổ chức).
  • Cơ sở công nghệ sửa chữa mối hàn: Phân loại 3 hình thức hàn sửa (hàn hoàn thiện chi tiết đúc/thiếu kích thước khi sản xuất; sửa chữa mối hàn không phù hợp theo biên bản QC; sửa chữa kết cấu khi đang vận hành). Kỹ thuật đào bỏ khuyết tật bằng phương pháp dũi điện cực carbon (khí thổi) với tỷ lệ bề rộng rãnh trên chiều sâu rãnh $w/h = 1 \div 1.5$, yêu cầu mài sạch lớp thấm carbon tối thiểu $3\text{ mm}$ trước khi hàn đắp lại.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Đọc bản vẽ kết cấu; nắn phôi cơ khí đạt độ không phẳng $\le 1\text{ mm/m}$; lấy dấu, cắt phôi cơ khí và cắt khí với dung sai $\pm(0.5 \div 1.5)\text{ mm}$; gá đính liên kết với chiều dài mối đính $\le 15\text{ mm}$; vận hành thiết bị hàn xoay chiều, một chiều; điều chỉnh góc độ que hàn ($75^\circ - 80^\circ$) và thao tác thuần thục các kiểu dao động (đường thẳng, răng cưa, bán nguyệt, tam giác lệch).
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích bản chất nguyên nhân hình thành các loại khuyết tật hàn (cháy cạnh do dòng điện quá lớn/hồ quang dài; lẫn xỉ do dòng điện nhỏ/vệ sinh mép chưa sạch; chảy xệ kim loại do tốc độ hàn chậm/nhiệt vũng hàn quá cao; lệch trục do mối đính yếu); đánh giá mức độ khuyết tật theo tiêu chuẩn kỹ thuật.
  • Kỹ năng thực hành chuyên môn (Practical competencies): Kiểm tra ngoại dạng bằng mắt thường và kính lúp; sử dụng dưỡng/thước đo chuyên dụng đo độ lệch tấm, đo chiều sâu cháy chân ($0 \div 5\text{ mm}$), đo chiều cao đắp và bề rộng mối hàn ($0 \div 25\text{ mm}$); phối hợp sử dụng các phương pháp kiểm tra không phá hủy (KTKPH/NDT) gồm thấm mao dẫn, hạt từ và siêu âm để xác nhận vị trí, chiều sâu khuyết tật trước và sau khi dũi sửa.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình triển khai phương pháp giảng dạy tích hợp (Modular Integrated Training), kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết tính toán chế độ công nghệ và thực hành trực tiếp tại xưởng theo tiến trình logic:

$$\text{Đọc bản vẽ} \longrightarrow \text{Chuẩn bị phôi, thiết bị} \longrightarrow \text{Tính toán chế độ hàn} \longrightarrow \text{Gá đính} \longrightarrow \text{Thao tác hàn phân lớp} \longrightarrow \text{Kiểm tra & Sửa chữa}$$

Hệ thống bài tập và bài thực hành ứng dụng được thiết kế chi tiết:

  • Bài tập lý thuyết: Yêu cầu người học trình bày phương pháp chuẩn bị, tính toán các thông số $d, I_h, U_h, n$ cho liên kết góc 4F (phôi dày $6\text{ mm}$), liên kết giáp mối 4G (phôi không vát cạnh $6\text{ mm}$ và phôi vát mép $10\text{ mm}$), phân tích nguyên nhân và phương án khắc phục khuyết tật cháy cạnh, lẫn xỉ, biến dạng.
  • Bài tập ứng dụng thực hành: Thực hiện mối hàn 4F, 4G, 1G trên vật liệu thép tấm CT3 (dày $6\text{ mm}$, $10\text{ mm}$) và ống thép ($\Phi 60 \times 5 \times 50\text{ mm}$) sử dụng que hàn thuốc bọc bazơ E7016 (LB-52 KOBELCO). Thời lượng thực hiện mỗi bài là 04 giờ (bao gồm thời gian chuẩn bị và gá đính); thời gian cho phép chỉnh máy và hàn thử trước khi thực hiện là 10 phút.

Phương pháp kiểm tra, đánh giá kết quả học tập được quy chuẩn hóa thành 3 nhóm tiêu chí có trọng số cụ thể:

Tiêu chí đánh giá Trọng số hệ số Nội dung đánh giá trọng tâm
I. Kiến thức 0.3 Trình bày chuẩn xác cách tính chọn $d, I_h, U_h$; quy trình kỹ thuật hàn 4F, 4G, 1G, 2G; phương pháp khắc phục khuyết tật và quy trình kiểm tra ngoại dạng (Thang điểm 10).
II. Kỹ năng 0.5 Chuẩn bị dụng cụ/thiết bị/vật liệu theo kế hoạch; vận hành thành thạo máy hàn; thực hiện mối hàn đúng thao tác; mối hàn đạt độ ngấu, đúng kích thước cạnh $K$/chiều cao $h$, không khuyết tật, độ biến dạng nằm trong giới hạn cho phép (Thang điểm 10).
III. Thái độ 0.2 Tác phong công nghiệp (chuyên cần, nội quy, bố trí vị trí làm việc, tính cẩn thận, ý thức hợp tác nhóm); đảm bảo thời gian quy định; tuân thủ quy định bảo hộ (quần áo, giày, mũ, găng tay da, yếm da) và an toàn điện, phòng cháy chữa cháy, vệ sinh xưởng (Thang điểm 10).

Quy chế đánh giá sản phẩm thi: Tổng điểm bài thực hành là 100 điểm, gồm 70 điểm ngoại dạng khách quan và 30 điểm tuân thủ quy định an toàn. Thí sinh vượt quá $5%$ thời gian quy định sẽ không được đánh giá; chọn sai phương pháp hoặc vị trí hàn bị loại điểm; vi phạm an toàn lao động bị đình chỉ thi ngay lập tức.

Điểm nổi bật và cập nhật

  1. Hệ thống hóa tiêu chuẩn quốc tế trong kiểm soát chất lượng hàn: Giáo trình tích hợp các bộ tiêu chuẩn Châu Âu và Quốc tế về chất lượng mối hàn và dung sai kết cấu, bao gồm:

    • EN 25817 (tương đương ISO 5817): Tiêu chuẩn mức chất lượng liên kết hàn hồ quang thép.
    • EN 30042 (tương đương ISO 10042): Tiêu chuẩn đánh giá mức chất lượng mối hàn nhôm và hợp kim nhôm.
    • EN ISO 13920: Tiêu chuẩn cấp dung sai chung cho các kết cấu hàn.
    • EN 1011 & EN 729 (tương đương ISO 3834): Tiêu chuẩn khuyến nghị kỹ thuật và yêu cầu chất lượng hàn kim loại.

  2. Quy trình chuyên sâu về hàn sửa chữa kết cấu (Welding Repair): Tài liệu phân tách chi tiết các giai đoạn sửa chữa khuyết tật, đưa ra quy trình "hội chẩn" phân tích bản chất phá hủy (do dẻo, giòn, mỏi, nứt tách lớp hoặc kỹ năng thợ hàn). Cung cấp giải pháp xử lý luyện kim cho các mác thép đặc thù như thép manganese và thép hợp kim trung bình bắt buộc phải gia nhiệt sơ bộ trước khi hàn và xử lý nhiệt khử ứng suất dư sau khi sửa chữa.

  3. Cập nhật công nghệ đào bỏ khuyết tật bằng dũi hồ quang carbon: Hướng dẫn cụ thể quy trình dũi hồ quang khí bằng que than, xác định tỷ lệ hình học rãnh dũi $w/h = 1 \div 1.5$, yêu cầu kỹ thuật mài sạch bề mặt sâu $3\text{ mm}$ sau dũi nhằm loại bỏ lớp kim loại bị thẩm thấu carbon gây nứt, kết hợp quy trình tái kiểm tra bằng phương pháp NDT.

  4. Chuẩn hóa vật liệu và thông số công nghiệp: Đưa vào sử dụng que hàn E7016 (LB-52 KOBELCO) đường kính $\Phi 2.2\text{ mm}, \Phi 2.5\text{ mm}, \Phi 3.2\text{ mm}, \Phi 4.0\text{ mm}$ trên nền thép CT3, phản ánh cấu hình vật tư chuẩn đang vận hành tại các doanh nghiệp gia công cơ khí bồn áp lực và kết cấu thép.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và học viên:
    • Học sinh, sinh viên theo học trình độ Trung cấp và Cao đẳng ngành/nghề Hàn (Mô đun MĐ19 trong khung chương trình).
    • Thợ hàn cơ khí tại các nhà máy, xí nghiệp cần học tập nâng cao tay nghề để thi lấy chứng chỉ thợ hàn áp lực hoặc chứng chỉ vị trí hàn khó 4F, 4G, 1G, 2G theo tiêu chuẩn ASME/AWS/ISO.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
    • Đã hoàn thành mô đun Hàn hồ quang tay cơ bản (thành thạo các vị trí hàn bằng 1F, 1G và hàn đứng 3F, 3G).
    • Đã học xong hoặc học song song các môn học cơ sở: Vẽ kỹ thuật cơ khí, Dung sai lắp ghép và Đo lường kỹ thuật, Vật liệu học và Xử lý nhiệt, An toàn lao động, Điện kỹ thuật (từ MH07 đến MH12) và các mô đun công nghệ liên quan (MĐ13 đến MĐ18).
  • Giảng viên và cán bộ đào tạo nghề:
    • Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính thức, làm căn cứ biên soạn giáo án lý thuyết tích hợp và phiếu hướng dẫn luyện tập kỹ năng thực hành xưởng.
    • Sử dụng khung tiêu chí đánh giá (Kiến thức 30% - Kỹ năng 50% - Thái độ 20% và thang điểm 100) để thiết lập ngân hàng đề thi kết thúc mô đun, chấm thi tốt nghiệp nghề.
  • Cán bộ kỹ thuật và kỹ sát viên hàn (QC/Welding Inspector): Dùng làm tài liệu tham khảo tra cứu công thức tính toán chế độ hàn nhiệt động học, kích thước hình học rãnh vát, phương pháp sử dụng thước kiểm tra khuyết tật và quy trình công nghệ hàn sửa chữa mối hàn bị lỗi.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho sinh viên, học viên theo học hệ Trung cấp/Cao đẳng nghề Hàn; thợ hàn cơ khí cần bồi dưỡng nâng bậc kỹ thuật ở các vị trí khó trong không gian (4F, 4G, 1G, 2G); cùng các giảng viên dạy nghề và cán bộ giám sát chất lượng hàn (QC) tại xưởng chế tạo kết cấu thép.

2. Cần kiến thức nền nào để học mô đun này?

Người học bắt buộc phải nắm vững kỹ thuật hàn hồ quang tay cơ bản (ở các vị trí 1F, 2F, 3F, 1G, 2G, 3G), có kiến thức về an toàn điện/phòng chống cháy nổ, kỹ năng đọc bản vẽ gia công cơ khí, kiến thức về biến dạng nhiệt của thép cacbon (như CT3) và đã hoàn thành các học phần cơ sở kỹ thuật từ MH07 đến MH12.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu hàn cơ bản là gì?

Tài liệu tập trung xử lý các vị trí hàn trần (4F, 4G) và hàn ống (1G, 2G) nơi kim loại lỏng chịu tác động bất lợi của trọng lực. Giáo trình cung cấp công thức tính toán năng lượng đường $q_đ$, hiệu chỉnh cường độ dòng điện $I_h$ (giảm $15% - 20%$ ở vị trí trần), kỹ thuật dũi khuyết tật bằng điện cực carbon và hệ thống quy chuẩn kiểm định chất lượng theo tiêu chuẩn EN/ISO (EN 25817, ISO 5817, EN ISO 13920, EN 1011, EN 729/ISO 3834).

4. Làm sao để tự học và rèn luyện theo giáo trình hiệu quả?

Người học cần thực hiện tuần tự theo quy trình:

  1. Phân tích bản vẽ và áp dụng hệ thống công thức giải tích ($d, I_h, U_h, V_h, n$) để lập bảng chế độ hàn cho từng lớp (lót, phủ).
  2. Chuẩn bị phôi, gá đính chính xác khe hở đáy $a$ và chiều dày mép cùn $p$ trên đồ gá định vị.
  3. Rèn luyện kỹ năng duy trì chiều dài cột hồ quang ngắn, điều chỉnh góc độ que hàn $75^\circ - 80^\circ$ và thay đổi biên độ dao động que theo từng lớp.
  4. Tự kiểm tra ngoại dạng mối hàn bằng dưỡng đo (đo độ lệch, đo cháy chân, đo chiều cao đắp $0 \div 25\text{ mm}$) và đối chiếu tiêu chí chất lượng.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Giáo trình bao gồm bản vẽ thiết kế phôi, bảng tra cứu chế độ hàn theo chiều dày phôi ($S$) và kích thước cạnh mối hàn ($K$), phiếu tiêu chí đánh giá kỹ năng 3 phần (Kiến thức 30%, Kỹ năng 50%, Thái độ 20%), hệ thống barem chấm điểm bài thi 100 điểm và danh mục các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (EN 25817, EN 30042, ISO 3834).

Kết luận

Giáo trình mô đun "Hàn hồ quang tay nâng cao" (MĐ19) của Trường Cao đẳng Nghề Hà Nam cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện từ tính toán thông số chế độ hàn, thao tác kỹ thuật tại các vị trí không gian phức tạp (4F, 4G, 1G, 2G) đến quy trình kiểm tra chất lượng và xử lý khuyết tật theo tiêu chuẩn công nghiệp.

Lộ trình học tập đề xuất: $$\text{Tính toán chế độ hàn giải tích} \longrightarrow \text{Kỹ thuật hàn góc trần 4F} \longrightarrow \text{Kỹ thuật hàn giáp mối trần 4G} \longrightarrow \text{Kỹ thuật hàn ống 1G, 2G} \longrightarrow \text{Kiểm định KTKPH & Hàn sửa chữa}$$

Tài liệu là cơ sở khoa học và thực hành kỹ thuật phục vụ trực tiếp công tác đào tạo thợ hàn tay nghề cao đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật trong lĩnh vực gia công cơ khí, đóng tàu và chế tạo bồn bể áp lực.