基于“學(xué)研創(chuàng)”交叉融合的激光加工實驗室建設(shè)與安全管理實踐

李美艷, 韓 彬, 林學(xué)強

(中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程系, 山東 青島 266580)

激光技術(shù)作為以原子理論、量子理論、光學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)為基礎(chǔ)的先進制造技術(shù),近年來,已在工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究、軍用武器、航天技術(shù)及通信等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1]。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,高校實驗室的激光設(shè)備也在不斷增加,很多高校及研究院都建立了獨立的激光加工實驗室。作為典型的先進加工實驗室,高校激光加工實驗室成為開展科學(xué)研究、進行實驗教學(xué)、開發(fā)科學(xué)技術(shù)以及培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要基地,是建設(shè)高水平研究性大學(xué)的重要硬件之一[2]。然而,目前激光加工實驗室在建設(shè)、管理及運行方面仍然存在很多問題,本文從國內(nèi)高校激光加工實驗室現(xiàn)狀出發(fā),分析了存在的問題,結(jié)合我校激光加工實驗室在教學(xué)、科研、創(chuàng)新方面交叉融合及其安全管理制度建設(shè)情況,探索激光加工實驗室建設(shè)、運行及管理的優(yōu)化途徑。

1 激光加工實驗室存在問題分析

1.1 實驗教學(xué)成本高而利用率低

目前高校廣泛使用的激光加工設(shè)備主要有CO2激光器和光纖激光器,其中CO2激光加工設(shè)備成本在幾十萬到上百萬之間,光纖激光器主要依賴進口,價格更是昂貴。此外,激光設(shè)備運行過程中涉及到氬氣、二氧化碳、氦氣等氣體、循環(huán)水冷卻及較高的電消耗,同時激光制造過程中用的合金粉末成本高且消耗量大,因此激光加工設(shè)備運行成本較高。另外,激光加工設(shè)備屬于精密儀器,使用過程中對室內(nèi)溫度、濕度、粉塵、冷卻水溫度以及電源電壓穩(wěn)定性等都有較高要求,一旦發(fā)生故障需經(jīng)專業(yè)維修人員進行檢修,且周期長,導(dǎo)致高校激光加工實驗室的實驗教學(xué)方面利用率較低。有些高校并未開放激光加工實驗教學(xué),仍然以科學(xué)研究為主。多數(shù)高校雖然設(shè)置激光加工實驗課,但是,在實際教學(xué)過程中,多以演示教學(xué)及參觀性學(xué)習(xí)為主,無法達到預(yù)期教學(xué)效果。

1.2 安全防護措施不到位

激光輻射是一種具有大能量密度、高度方向性和相干性的光輻射,在激光熱效應(yīng)、光壓效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)的共同作用下,對實驗者的眼睛會造成嚴重損傷甚至引起視力下降,還可能導(dǎo)致皮膚灼傷[3]，因此激光實驗室的安全防護措施尤為重要。然而,目前許多高校及研究院的激光加工實驗室在安全防護方面缺乏重視,未配備必要的安全防護用具,且仍然存在實驗者對激光加工設(shè)備的操作及安全用具使用不當(dāng)?shù)惹闆r,給設(shè)備及實驗者自身帶來安全隱患。尤其是作為開放實驗室,實驗資源共享,眾多實驗者在未經(jīng)過任何安全培訓(xùn)的情況下進入實驗室,安全隱患極大。

1.3 專業(yè)實驗教師隊伍力量薄弱

實驗指導(dǎo)教師資源是高校開放實驗室的重要資源[4]。由于開放實驗的特點,對實驗指導(dǎo)教師的要求相應(yīng)比較高。尤其是激光加工實驗指導(dǎo)教師,對專業(yè)和技術(shù)水平要求更高,既要求能夠指導(dǎo)學(xué)生完成激光加工實驗,又能夠承擔(dān)激光加工設(shè)備日常維護、維修工作。然而,目前很多高校實驗指導(dǎo)教師隊伍力量薄弱,通常是少數(shù)指導(dǎo)教師負責(zé)多個實驗課,加之激光加工實驗課時相對較少,多數(shù)指導(dǎo)教師在激光加工實驗室投入時間和精力較少,嚴重制約激光加工實驗室建設(shè)及其安全管理的開展。

2 學(xué)研創(chuàng)交叉融合的激光加工實驗室建設(shè)

高能束激光加工作為先進制造技術(shù),在解決復(fù)雜形狀、薄壁、小孔、窄縫等特殊加工問題以及高強度、高硬度、高韌性和高脆性材料的加工領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用前景?；诖?該項技術(shù)在我校實驗教學(xué)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)及科學(xué)研究中得到廣泛重視,建立了一種融合學(xué)(實驗教學(xué))、研(科研項目)、創(chuàng)(創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及興趣小組等)三位一體的交叉融合特色的高能束激光加工實驗教學(xué)模式及安全管理規(guī)章制度。

2.1 學(xué)——實驗教學(xué)

金屬材料激光表面強化作為表面工程領(lǐng)域的一項先進技術(shù),得到材料研究者的廣泛關(guān)注。從實驗教學(xué)角度,激光加工實驗室承擔(dān)了“表面工程”實驗教學(xué)任務(wù)。激光具有強度高、亮度大、波長頻率確定、單色性好、相干性好、方向性好等特點,聚焦后能夠?qū)⒛芰考性谝稽c,作用于金屬表面時又涉及到光反射、散射、吸收等問題,同時激光熱源、合金粉末及金屬基體之間還發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)[5]。涉及的理論知識概括性強、抽象度高,單純依靠教材的文字描述及課堂講授,學(xué)生很難理解激光加工的優(yōu)勢及成型特點。通過開展激光加工實驗,可進一步加深學(xué)生對理論知識的理解。

在開展實驗教學(xué)方面，積極引入研究性教學(xué)方法,在實驗準備階段,從實驗方案設(shè)計、粉末體系選取、激光加工參數(shù)選擇、基體試板的選取及機加工等均由學(xué)生以團隊或是分組形式獨立完成,并在實驗前以PPT形式進行闡述說明；專業(yè)實驗教師對學(xué)生的方案設(shè)計進行修正后,指導(dǎo)學(xué)生操作激光加工設(shè)備,學(xué)生依據(jù)實驗成型效果評價對激光加工參數(shù)進行優(yōu)化,最終形成實驗報告以討論課形式匯報總結(jié)。

2.2 研——科學(xué)研究

近年來,激光先進制造技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用十分活躍,涉及到激光連接、金屬零件激光快速成形、激光表面改性、激光微納制造、激光切割等前沿技術(shù)[6-7]。在校教師可以結(jié)合激光加工設(shè)備特性以及科研方向,開展與激光加工相關(guān)的科學(xué)研究及研究生培養(yǎng)工作。近5年中,激光表面改性方向完成國家級、省部級課題立項10余項,發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文40余篇,申報發(fā)明專利10余項,培養(yǎng)研究生20余名。同時激光加工實驗室致力于解決生產(chǎn)實際問題,圖1所示為部分激光表面改性實例。通過開發(fā)新型合金粉末,采用激光熔覆技術(shù)完成柱塞、閥門、閘板及注塑模具等密封件表面修復(fù)，見圖1(a)、圖1(b)；借助激光相變硬化技術(shù)解決了油管內(nèi)壁腐蝕偏磨問題(見圖1(c))；采用激光表面熔凝技術(shù)解決了球墨鑄鐵軋輥表面強化問題(見圖1(d)),在推動關(guān)鍵零部件的開發(fā)及應(yīng)用方面發(fā)揮重要作用。

值得一提的是,利用激光加工實驗室開展科學(xué)研究獲得的研究成果及結(jié)論等,可用于實驗教學(xué)和課堂教學(xué)案例,形成科研與教學(xué)相互補充、相互促進的良性循環(huán),實踐以“科研引領(lǐng)實驗教學(xué)”的理念?！翱蒲幸I(lǐng)教學(xué)”在西方發(fā)達國家的高水平大學(xué)是比較成熟的模式,但在中國尚處于轉(zhuǎn)型期[8]。我們力求將先進的科研成果積極地應(yīng)用到實驗教學(xué)中,推進科研和教學(xué)的全面融合,取得了良好的教學(xué)效果。

圖1 激光表面改性實例

2.3 創(chuàng)——創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽及興趣小組作為一種準科研活動,是培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的有效平臺,是綜合運用一門或幾門課程的知識去學(xué)習(xí)設(shè)計并解決實際問題或特定問題的一項綜合性活動[9-10]。同時,也是課堂教學(xué)活動的延伸和補充,是大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效載體。作為我校開放實驗室,高能束激光加工實驗室為在校大學(xué)生科技創(chuàng)新及科技競賽提供實驗場地、設(shè)備及專業(yè)教師指導(dǎo),為學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及學(xué)科競賽搭建了良好的平臺。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽能夠有效提高大學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性,其涉及面廣且賽題難度較大,從國家級“全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽”“全國大學(xué)生節(jié)能減排大賽”“全國焊接創(chuàng)新大賽”等,到省級“大學(xué)生機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計競賽”“挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”,再到學(xué)校組織的“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目”等。競賽項目源于真實的社會應(yīng)用背景,科技含量較高,在項目準備及實施階段涉及到本領(lǐng)域的國內(nèi)外先進技術(shù),對參賽學(xué)生的知識面和動手能力要求較高。這將促使學(xué)生依托高能束激光加工實驗室,積極主動地去學(xué)習(xí)所涉及的相關(guān)知識及先進技術(shù),同時主動向?qū)I(yè)實驗教師尋求幫助,并將理論知識迅速運用到實際操作中去。這一過程完全打破了傳統(tǒng)的“課堂講授”及“學(xué)生被動接受”的學(xué)習(xí)模式,調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性,為大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

近年來,我校學(xué)生依托激光加工實驗室開展創(chuàng)新實踐活動取得良好成效?；诟吣苁す庹丈淠芰考械膬?yōu)勢,借助激光快速高效熔覆特點,克服傳統(tǒng)焊接堆焊效率低、變形大等缺點,“一種多激光頭硬質(zhì)巖石破巖工具”“一種激光頭超高效破巖鉆具”和“復(fù)合管內(nèi)充氣、噴涂及對口裝置”等多個團隊項目在全國研究生石油裝備大賽以及全國焊接創(chuàng)新大賽中獲得優(yōu)異成績。“Q235鋼激光熔覆高硬度高沖擊韌性復(fù)合板”獲第三屆全國大學(xué)生焊接創(chuàng)新大賽三等獎,在準備競賽的過程中運用理論知識解決問題,并在運用中尋找規(guī)律、探索技巧,加深對激光熔覆層組織及沖擊韌性的理解。參賽團隊通過設(shè)計焊條堆焊過渡層方式獲得厚度大、硬度高的復(fù)合堆焊層。圖2所示為焊條電弧焊+激光熔覆復(fù)合堆焊層顯微組織。圖3所示為復(fù)合堆焊層沖擊斷口形貌,圖中顯示復(fù)合堆焊層發(fā)生韌性斷裂和脆性斷裂混合模式,具有良好的室溫沖擊韌性。

3 安全管理制度建設(shè)

激光作為20 世紀60年代的新技術(shù),已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究、軍用武器和通信等各個領(lǐng)域，但激光加工實驗室的安全管理不容忽視。

3.1 安全準入管理

(1) 安全培訓(xùn)。安全培訓(xùn)是激光加工實驗室管理的關(guān)鍵,每年定期對本科生和研究生及其他實驗者進行安全培訓(xùn),主要是講解激光加工設(shè)備管理、操作、實驗室氣體存放與使用,并進行安全考試。考試合格者需簽訂安全承諾書方可進入實驗室。從根本上杜絕沒有專業(yè)知識和安全素養(yǎng)的實驗者進入實驗室,避免引發(fā)安全事故。

圖3 焊條電弧焊+激光熔覆復(fù)合堆焊層沖擊斷口

(2) 準入管理。準入管理是安全管理體系的重要組成部分[11]。激光加工實驗室采用預(yù)約登記方式,經(jīng)實驗指導(dǎo)教師同意后,方可進入實驗室進行實驗操作,實驗結(jié)束后認真填寫實驗記錄。實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題及時告知實驗指導(dǎo)教師,及時解決問題,杜絕安全隱患。此外,實驗室內(nèi)安裝指紋鎖以及高清監(jiān)控措施,注重對實驗過程的管理,并起到良好的監(jiān)督作用。

3.2 實驗防護用具

激光是一種高密度、單波長的光能,高功率激光直射將傷害眼部神經(jīng),嚴重時導(dǎo)致失明。激光加工實驗室內(nèi)配備了完善的實驗防護用具,防護眼罩或護目鏡用來保護眼睛和臉部,實驗過程中必須穿著工作服,防止激光加工過程中的飛濺物燙傷皮膚。其次,實驗者需佩戴個人呼吸防護用品,比如防毒面具或防毒口罩等,防止實驗過程中有害氣體的侵入。

3.3 實驗室應(yīng)急措施

實驗室建設(shè)過程中安裝煙霧報警器,同時按照激光加工實驗室面積及人員標(biāo)準配備滅火器、滅火毯、防毒面具等應(yīng)急物品,并定期更換,確保突發(fā)事件發(fā)生時能夠及時處理。此外,學(xué)校高度重視實驗室安全工作,定期舉行逃生演練,確保實驗人員人身安全。

4 結(jié)語

通過構(gòu)建“學(xué)研創(chuàng)”交互融合的建設(shè)模式,實現(xiàn)高能束激光加工實驗室的功能化劃分及管理,促使實驗教學(xué)、科學(xué)研究以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果相互應(yīng)用,使學(xué)生加深對相關(guān)理論知識的理解,有助于提高學(xué)生分析、解決問題的綜合能力。同時,建立健全激光加工實驗室安全管理制度,通過安全培訓(xùn)、準入管理、配備實驗防護用具以及應(yīng)急措施,確保實驗室安全運行。