基于“學研創”交叉融合的激光加工實驗室建設與安全管理實踐

李美艷, 韓 彬, 林學強

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

激光技術作為以原子理論、量子理論、光學技術和電子技術為基礎的先進制造技術,近年來,已在工業、醫療、科學研究、軍用武器、航天技術及通信等領域獲得廣泛應用[1]。隨著激光技術的發展,高校實驗室的激光設備也在不斷增加,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研究、進行實驗教學、開發科學技術以及培養創新人才的重要基地,是建設高水平研究性大學的重要硬件之一[2]。然而,目前激光加工實驗室在建設、管理及運行方面仍然存在很多問題,本文從國內高校激光加工實驗室現狀出發,分析了存在的問題,結合我校激光加工實驗室在教學、科研、創新方面交叉融合及其安全管理制度建設情況,探索激光加工實驗室建設、運行及管理的優化途徑。

1 激光加工實驗室存在問題分析

1.1 實驗教學成本高而利用率低

目前高校廣泛使用的激光加工設備主要有CO2激光器和光纖激光器,其中CO2激光加工設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,激光設備運行過程中涉及到氬氣、二氧化碳、氦氣等氣體、循環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,因此激光加工設備運行成本較高。另外,激光加工設備屬于精密儀器,使用過程中對室內溫度、濕度、粉塵、冷卻水溫度以及電源電壓穩定性等都有較高要求,一旦發生故障需經專業維修人員進行檢修,且周期長,導致高校激光加工實驗室的實驗教學方面利用率較低。有些高校并未開放激光加工實驗教學,仍然以科學研究為主。多數高校雖然設置激光加工實驗課,但是,在實際教學過程中,多以演示教學及參觀性學習為主,無法達到預期教學效果。

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、光壓效應和光化學效應的共同作用下,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備的操作及安全用具使用不當等情況,給設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,眾多實驗者在未經過任何安全培訓的情況下進入實驗室,安全隱患極大。

1.3 專業實驗教師隊伍力量薄弱

實驗指導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,對實驗指導教師的要求相應比較高。尤其是激光加工實驗指導教師,對專業和技術水平要求更高,既要求能夠指導學生完成激光加工實驗,又能夠承擔激光加工設備日常維護、維修工作。然而,目前很多高校實驗指導教師隊伍力量薄弱,通常是少數指導教師負責多個實驗課,加之激光加工實驗課時相對較少,多數指導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及其安全管理的開展。

2 學研創交叉融合的激光加工實驗室建設

高能束激光加工作為先進制造技術,在解決復雜形狀、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域具有獨特的應用前景。基于此,該項技術在我校實驗教學、創新能力培養及科學研究中得到廣泛重視,建立了一種融合學(實驗教學)、研(科研項目)、創(創新創業及興趣小組等)三位一體的交叉融合特色的高能束激光加工實驗教學模式及安全管理規章制度。

2.1 學——實驗教學

金屬材料激光表面強化作為表面工程領域的一項先進技術,得到材料研究者的廣泛關注。從實驗教學角度,激光加工實驗室承擔了“表面工程”實驗教學任務。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,聚焦后能夠將能量集中在一點,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生一系列物理化學反應[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,學生很難理解激光加工的優勢及成型特點。通過開展激光加工實驗,可進一步加深學生對理論知識的理解。

在開展實驗教學方面，積極引入研究性教學方法,在實驗準備階段,從實驗方案設計、粉末體系選取、激光加工參數選擇、基體試板的選取及機加工等均由學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；專業實驗教師對學生的方案設計進行修正后,指導學生操作激光加工設備,學生依據實驗成型效果評價對激光加工參數進行優化,最終形成實驗報告以討論課形式匯報總結。

2.2 研——科學研究

近年來,激光先進制造技術的研究、開發和應用十分活躍,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[6-7]。在校教師可以結合激光加工設備特性以及科研方向,開展與激光加工相關的科學研究及研究生培養工作。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,發表相關學術論文40余篇,申報發明專利10余項,培養研究生20余名。同時激光加工實驗室致力于解決生產實際問題,圖1所示為部分激光表面改性實例。通過開發新型合金粉末,采用激光熔覆技術完成柱塞、閥門、閘板及注塑模具等密封件表面修復，見圖1(a)、圖1(b)；借助激光相變硬化技術解決了油管內壁腐蝕偏磨問題(見圖1(c))；采用激光表面熔凝技術解決了球墨鑄鐵軋輥表面強化問題(見圖1(d)),在推動關鍵零部件的開發及應用方面發揮重要作用。

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

圖1 激光表面改性實例

2.3 創——創新創業

大學生創新創業競賽及興趣小組作為一種準科研活動,是培養學生動手能力和創新能力的有效平臺,是綜合運用一門或幾門課程的知識去學習設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,也是課堂教學活動的延伸和補充,是大學生創新能力培養的有效載體。作為我校開放實驗室,高能束激光加工實驗室為在校大學生科技創新及科技競賽提供實驗場地、設備及專業教師指導,為學生參加創新創業及學科競賽搭建了良好的平臺。

創新創業競賽能夠有效提高大學生的學習主動性和積極性,其涉及面廣且賽題難度較大,從國家級“全國大學生工程訓練綜合能力競賽”“全國大學生節能減排大賽”“全國焊接創新大賽”等,到省級“大學生機電產品創新設計競賽”“挑戰杯大學生課外學術科技作品競賽”,再到學校組織的“大學生創新創業訓練項目”等。競賽項目源于真實的社會應用背景,科技含量較高,在項目準備及實施階段涉及到本領域的國內外先進技術,對參賽學生的知識面和動手能力要求較高。這將促使學生依托高能束激光加工實驗室,積極主動地去學習所涉及的相關知識及先進技術,同時主動向專業實驗教師尋求幫助,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的“課堂講授”及“學生被動接受”的學習模式,調動了學生的積極性和主動性,為大學生創新能力培養奠定基礎。

近年來,我校學生依托激光加工實驗室開展創新實踐活動取得良好成效。基于高能束激光照射能量集中的優勢,借助激光快速高效熔覆特點,克服傳統焊接堆焊效率低、變形大等缺點,“一種多激光頭硬質巖石破巖工具”“一種激光頭超高效破巖鉆具”和“復合管內充氣、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新大賽中獲得優異成績。“Q235鋼激光熔覆高硬度高沖擊韌性復合板”獲第三屆全國大學生焊接創新大賽三等獎,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。參賽團隊通過設計焊條堆焊過渡層方式獲得厚度大、硬度高的復合堆焊層。圖2所示為焊條電弧焊+激光熔覆復合堆焊層顯微組織。圖3所示為復合堆焊層沖擊斷口形貌,圖中顯示復合堆焊層發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

激光作為20 世紀60年代的新技術,已廣泛應用于工業、醫療、科學研究、軍用武器和通信等各個領域，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。安全培訓是激光加工實驗室管理的關鍵,每年定期對本科生和研究生及其他實驗者進行安全培訓,主要是講解激光加工設備管理、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知識和安全素養的實驗者進入實驗室,避免引發安全事故。

圖3 焊條電弧焊+激光熔覆復合堆焊層沖擊斷口

(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約登記方式,經實驗指導教師同意后,方可進入實驗室進行實驗操作,實驗結束后認真填寫實驗記錄。實驗過程中發現問題及時告知實驗指導教師,及時解決問題,杜絕安全隱患。此外,實驗室內安裝指紋鎖以及高清監控措施,注重對實驗過程的管理,并起到良好的監督作用。

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,嚴重時導致失明。激光加工實驗室內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 實驗室應急措施

實驗室建設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準配備滅火器、滅火毯、防毒面具等應急物品,并定期更換,確保突發事件發生時能夠及時處理。此外,學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 結語

通過構建“學研創”交互融合的建設模式,實現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、科學研究以及創新創業成果相互應用,使學生加深對相關理論知識的理解,有助于提高學生分析、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、準入管理、配備實驗防護用具以及應急措施,確保實驗室安全運行。