基于“学研创”交叉融合的激光加工实验室建设与安全管理实践

李美艳, 韩 彬, 林学强

(中国石油大学(华东) 机电工程学院 材料科学与工程系, 山东 青岛 266580)

激光技术作为以原子理论、量子理论、光学技术和电子技术为基础的先进制造技术,近年来,已在工业、医疗、科学研究、军用武器、航天技术及通信等领域获得广泛应用[1]。随着激光技术的发展,高校实验室的激光设备也在不断增加,很多高校及研究院都建立了独立的激光加工实验室。作为典型的先进加工实验室,高校激光加工实验室成为开展科学研究、进行实验教学、开发科学技术以及培养创新人才的重要基地,是建设高水平研究性大学的重要硬件之一[2]。然而,目前激光加工实验室在建设、管理及运行方面仍然存在很多问题,本文从国内高校激光加工实验室现状出发,分析了存在的问题,结合我校激光加工实验室在教学、科研、创新方面交叉融合及其安全管理制度建设情况,探索激光加工实验室建设、运行及管理的优化途径。

1 激光加工实验室存在问题分析

1.1 实验教学成本高而利用率低

目前高校广泛使用的激光加工设备主要有CO2激光器和光纤激光器,其中CO2激光加工设备成本在几十万到上百万之间,光纤激光器主要依赖进口,价格更是昂贵。此外,激光设备运行过程中涉及到氩气、二氧化碳、氦气等气体、循环水冷却及较高的电消耗,同时激光制造过程中用的合金粉末成本高且消耗量大,因此激光加工设备运行成本较高。另外,激光加工设备属于精密仪器,使用过程中对室内温度、湿度、粉尘、冷却水温度以及电源电压稳定性等都有较高要求,一旦发生故障需经专业维修人员进行检修,且周期长,导致高校激光加工实验室的实验教学方面利用率较低。有些高校并未开放激光加工实验教学,仍然以科学研究为主。多数高校虽然设置激光加工实验课,但是,在实际教学过程中,多以演示教学及参观性学习为主,无法达到预期教学效果。

1.2 安全防护措施不到位

激光辐射是一种具有大能量密度、高度方向性和相干性的光辐射,在激光热效应、光压效应和光化学效应的共同作用下,对实验者的眼睛会造成严重损伤甚至引起视力下降,还可能导致皮肤灼伤[3]，因此激光实验室的安全防护措施尤为重要。然而,目前许多高校及研究院的激光加工实验室在安全防护方面缺乏重视,未配备必要的安全防护用具,且仍然存在实验者对激光加工设备的操作及安全用具使用不当等情况,给设备及实验者自身带来安全隐患。尤其是作为开放实验室,实验资源共享,众多实验者在未经过任何安全培训的情况下进入实验室,安全隐患极大。

1.3 专业实验教师队伍力量薄弱

实验指导教师资源是高校开放实验室的重要资源[4]。由于开放实验的特点,对实验指导教师的要求相应比较高。尤其是激光加工实验指导教师,对专业和技术水平要求更高,既要求能够指导学生完成激光加工实验,又能够承担激光加工设备日常维护、维修工作。然而,目前很多高校实验指导教师队伍力量薄弱,通常是少数指导教师负责多个实验课,加之激光加工实验课时相对较少,多数指导教师在激光加工实验室投入时间和精力较少,严重制约激光加工实验室建设及其安全管理的开展。

2 学研创交叉融合的激光加工实验室建设

高能束激光加工作为先进制造技术,在解决复杂形状、薄壁、小孔、窄缝等特殊加工问题以及高强度、高硬度、高韧性和高脆性材料的加工领域具有独特的应用前景。基于此,该项技术在我校实验教学、创新能力培养及科学研究中得到广泛重视,建立了一种融合学(实验教学)、研(科研项目)、创(创新创业及兴趣小组等)三位一体的交叉融合特色的高能束激光加工实验教学模式及安全管理规章制度。

2.1 学——实验教学

金属材料激光表面强化作为表面工程领域的一项先进技术,得到材料研究者的广泛关注。从实验教学角度,激光加工实验室承担了“表面工程”实验教学任务。激光具有强度高、亮度大、波长频率确定、单色性好、相干性好、方向性好等特点,聚焦后能够将能量集中在一点,作用于金属表面时又涉及到光反射、散射、吸收等问题,同时激光热源、合金粉末及金属基体之间还发生一系列物理化学反应[5]。涉及的理论知识概括性强、抽象度高,单纯依靠教材的文字描述及课堂讲授,学生很难理解激光加工的优势及成型特点。通过开展激光加工实验,可进一步加深学生对理论知识的理解。

在开展实验教学方面，积极引入研究性教学方法,在实验准备阶段,从实验方案设计、粉末体系选取、激光加工参数选择、基体试板的选取及机加工等均由学生以团队或是分组形式独立完成,并在实验前以PPT形式进行阐述说明；专业实验教师对学生的方案设计进行修正后,指导学生操作激光加工设备,学生依据实验成型效果评价对激光加工参数进行优化,最终形成实验报告以讨论课形式汇报总结。

2.2 研——科学研究

近年来,激光先进制造技术的研究、开发和应用十分活跃,涉及到激光连接、金属零件激光快速成形、激光表面改性、激光微纳制造、激光切割等前沿技术[6-7]。在校教师可以结合激光加工设备特性以及科研方向,开展与激光加工相关的科学研究及研究生培养工作。近5年中,激光表面改性方向完成国家级、省部级课题立项10余项,发表相关学术论文40余篇,申报发明专利10余项,培养研究生20余名。同时激光加工实验室致力于解决生产实际问题,图1所示为部分激光表面改性实例。通过开发新型合金粉末,采用激光熔覆技术完成柱塞、阀门、闸板及注塑模具等密封件表面修复，见图1(a)、图1(b)；借助激光相变硬化技术解决了油管内壁腐蚀偏磨问题(见图1(c))；采用激光表面熔凝技术解决了球墨铸铁轧辊表面强化问题(见图1(d)),在推动关键零部件的开发及应用方面发挥重要作用。

值得一提的是,利用激光加工实验室开展科学研究获得的研究成果及结论等,可用于实验教学和课堂教学案例,形成科研与教学相互补充、相互促进的良性循环,实践以“科研引领实验教学”的理念。“科研引领教学”在西方发达国家的高水平大学是比较成熟的模式,但在中国尚处于转型期[8]。我们力求将先进的科研成果积极地应用到实验教学中,推进科研和教学的全面融合,取得了良好的教学效果。

图1 激光表面改性实例

2.3 创——创新创业

大学生创新创业竞赛及兴趣小组作为一种准科研活动,是培养学生动手能力和创新能力的有效平台,是综合运用一门或几门课程的知识去学习设计并解决实际问题或特定问题的一项综合性活动[9-10]。同时,也是课堂教学活动的延伸和补充,是大学生创新能力培养的有效载体。作为我校开放实验室,高能束激光加工实验室为在校大学生科技创新及科技竞赛提供实验场地、设备及专业教师指导,为学生参加创新创业及学科竞赛搭建了良好的平台。

创新创业竞赛能够有效提高大学生的学习主动性和积极性,其涉及面广且赛题难度较大,从国家级“全国大学生工程训练综合能力竞赛”“全国大学生节能减排大赛”“全国焊接创新大赛”等,到省级“大学生机电产品创新设计竞赛”“挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛”,再到学校组织的“大学生创新创业训练项目”等。竞赛项目源于真实的社会应用背景,科技含量较高,在项目准备及实施阶段涉及到本领域的国内外先进技术,对参赛学生的知识面和动手能力要求较高。这将促使学生依托高能束激光加工实验室,积极主动地去学习所涉及的相关知识及先进技术,同时主动向专业实验教师寻求帮助,并将理论知识迅速运用到实际操作中去。这一过程完全打破了传统的“课堂讲授”及“学生被动接受”的学习模式,调动了学生的积极性和主动性,为大学生创新能力培养奠定基础。

近年来,我校学生依托激光加工实验室开展创新实践活动取得良好成效。基于高能束激光照射能量集中的优势,借助激光快速高效熔覆特点,克服传统焊接堆焊效率低、变形大等缺点,“一种多激光头硬质岩石破岩工具”“一种激光头超高效破岩钻具”和“复合管内充气、喷涂及对口装置”等多个团队项目在全国研究生石油装备大赛以及全国焊接创新大赛中获得优异成绩。“Q235钢激光熔覆高硬度高冲击韧性复合板”获第三届全国大学生焊接创新大赛三等奖,在准备竞赛的过程中运用理论知识解决问题,并在运用中寻找规律、探索技巧,加深对激光熔覆层组织及冲击韧性的理解。参赛团队通过设计焊条堆焊过渡层方式获得厚度大、硬度高的复合堆焊层。图2所示为焊条电弧焊+激光熔覆复合堆焊层显微组织。图3所示为复合堆焊层冲击断口形貌,图中显示复合堆焊层发生韧性断裂和脆性断裂混合模式,具有良好的室温冲击韧性。

3 安全管理制度建设

激光作为20 世纪60年代的新技术,已广泛应用于工业、医疗、科学研究、军用武器和通信等各个领域，但激光加工实验室的安全管理不容忽视。

3.1 安全准入管理

(1) 安全培训。安全培训是激光加工实验室管理的关键,每年定期对本科生和研究生及其他实验者进行安全培训,主要是讲解激光加工设备管理、操作、实验室气体存放与使用,并进行安全考试。考试合格者需签订安全承诺书方可进入实验室。从根本上杜绝没有专业知识和安全素养的实验者进入实验室,避免引发安全事故。

图3 焊条电弧焊+激光熔覆复合堆焊层冲击断口

(2) 准入管理。准入管理是安全管理体系的重要组成部分[11]。激光加工实验室采用预约登记方式,经实验指导教师同意后,方可进入实验室进行实验操作,实验结束后认真填写实验记录。实验过程中发现问题及时告知实验指导教师,及时解决问题,杜绝安全隐患。此外,实验室内安装指纹锁以及高清监控措施,注重对实验过程的管理,并起到良好的监督作用。

3.2 实验防护用具

激光是一种高密度、单波长的光能,高功率激光直射将伤害眼部神经,严重时导致失明。激光加工实验室内配备了完善的实验防护用具,防护眼罩或护目镜用来保护眼睛和脸部,实验过程中必须穿着工作服,防止激光加工过程中的飞溅物烫伤皮肤。其次,实验者需佩戴个人呼吸防护用品,比如防毒面具或防毒口罩等,防止实验过程中有害气体的侵入。

3.3 实验室应急措施

实验室建设过程中安装烟雾报警器,同时按照激光加工实验室面积及人员标准配备灭火器、灭火毯、防毒面具等应急物品,并定期更换,确保突发事件发生时能够及时处理。此外,学校高度重视实验室安全工作,定期举行逃生演练,确保实验人员人身安全。

4 结语

通过构建“学研创”交互融合的建设模式,实现高能束激光加工实验室的功能化划分及管理,促使实验教学、科学研究以及创新创业成果相互应用,使学生加深对相关理论知识的理解,有助于提高学生分析、解决问题的综合能力。同时,建立健全激光加工实验室安全管理制度,通过安全培训、准入管理、配备实验防护用具以及应急措施,确保实验室安全运行。