李美艷, 韓 彬, 林學(xué)強(qiáng)

(中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(dú)立的激光加工實(shí)驗(yàn)室。作為典型的先進(jìn)加工實(shí)驗(yàn)室,高校激光加工實(shí)驗(yàn)室成為開展科學(xué)研究、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室在建設(shè)、管理及運(yùn)行方面仍然存在很多問題,本文從國內(nèi)高校激光加工實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)、運(yùn)行及管理的優(yōu)化途徑。

1 激光加工實(shí)驗(yàn)室存在問題分析

1.1 實(shí)驗(yàn)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(jìn)口,價(jià)格更是昂貴。此外,激光設(shè)備運(yùn)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(shí)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(yùn)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(jìn)行檢修,且周期長,導(dǎo)致高校激光加工實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面利用率較低。有些高校并未開放激光加工實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課,但是,在實(shí)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(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。

1.2 安全防護(hù)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(shí)驗(yàn)者的眼睛會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p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(shí)驗(yàn)室的安全防護(hù)措施尤為重要。然而,目前許多高校及研究院的激光加工實(shí)驗(yàn)室在安全防護(hù)方面缺乏重視,未配備必要的安全防護(hù)用具,且仍然存在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)者自身帶來安全隱患。尤其是作為開放實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)資源共享,眾多實(shí)驗(yàn)者在未經(jīng)過任何安全培訓(xùn)的情況下進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,安全隱患極大。

1.3 專業(yè)實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍力量薄弱

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師資源是高校開放實(shí)驗(yàn)室的重要資源[4]。由于開放實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn),對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的要求相應(yīng)比較高。尤其是激光加工實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),又能夠承擔(dān)激光加工設(shè)備日常維護(hù)、維修工作。然而,目前很多高校實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師隊(duì)伍力量薄弱,通常是少數(shù)指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)多個(gè)實(shí)驗(yàn)課,加之激光加工實(shí)驗(yàn)課時(shí)相對較少,多數(shù)指導(dǎo)教師在激光加工實(shí)驗(yàn)室投入時(shí)間和精力較少,嚴(yán)重制約激光加工實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)

高能束激光加工作為先進(jìn)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(qiáng)度、高硬度、高韌性和高脆性材料的加工領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用前景?；诖?該項(xiàng)技術(shù)在我校實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué))、研(科研項(xiàng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及安全管理規(guī)章制度。

2.1 學(xué)——實(shí)驗(yàn)教學(xué)

金屬材料激光表面強(qiáng)化作為表面工程領(lǐng)域的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),得到材料研究者的廣泛關(guān)注。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度,激光加工實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了“表面工程”實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。激光具有強(qiáng)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(diǎn),聚焦后能夠?qū)⒛芰考性谝稽c(diǎn),作用于金屬表面時(shí)又涉及到光反射、散射、吸收等問題,同時(shí)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(shí)概括性強(qiáng)、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(diǎn)。通過開展激光加工實(shí)驗(yàn),可進(jìn)一步加深學(xué)生對理論知識(shí)的理解。

在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，積極引入研究性教學(xué)方法,在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段,從實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、粉末體系選取、激光加工參數(shù)選擇、基體試板的選取及機(jī)加工等均由學(xué)生以團(tuán)隊(duì)或是分組形式獨(dú)立完成,并在實(shí)驗(yàn)前以PPT形式進(jìn)行闡述說明；專業(yè)實(shí)驗(yàn)教師對學(xué)生的方案設(shè)計(jì)進(jìn)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(shí)驗(yàn)成型效果評價(jià)對激光加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最終形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告以討論課形式匯報(bào)總結(jié)。

2.2 研——科學(xué)研究

近年來,激光先進(jìn)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(xiàng)10余項(xiàng),發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文40余篇,申報(bào)發(fā)明專利10余項(xiàng),培養(yǎng)研究生20余名。同時(shí)激光加工實(shí)驗(yàn)室致力于解決生產(chǎn)實(shí)際問題,圖1所示為部分激光表面改性實(shí)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(qiáng)化問題(見圖1(d)),在推動(dòng)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(shí)驗(yàn)室開展科學(xué)研究獲得的研究成果及結(jié)論等,可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課堂教學(xué)案例,形成科研與教學(xué)相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的良性循環(huán),實(shí)踐以“科研引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的理念?！翱蒲幸I(lǐng)教學(xué)”在西方發(fā)達(dá)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(jìn)的科研成果積極地應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,推進(jìn)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(shí)例

2.3 創(chuàng)——?jiǎng)?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(zhǔn)科研活動(dòng),是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的有效平臺(tái),是綜合運(yùn)用一門或幾門課程的知識(shí)去學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)并解決實(shí)際問題或特定問題的一項(xiàng)綜合性活動(dòng)[9-10]。同時(shí),也是課堂教學(xué)活動(dòng)的延伸和補(bǔ)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(shí)驗(yàn)室,高能束激光加工實(shí)驗(yàn)室為在校大學(xué)生科技創(chuàng)新及科技競賽提供實(shí)驗(yàn)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(tái)。

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(dòng)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(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(xiàng)目”等。競賽項(xiàng)目源于真實(shí)的社會(huì)應(yīng)用背景,科技含量較高,在項(xiàng)目準(zhǔn)備及實(shí)施階段涉及到本領(lǐng)域的國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù),對參賽學(xué)生的知識(shí)面和動(dòng)手能力要求較高。這將促使學(xué)生依托高能束激光加工實(shí)驗(yàn)室,積極主動(dòng)地去學(xué)習(xí)所涉及的相關(guān)知識(shí)及先進(jìn)技術(shù),同時(shí)主動(dòng)向?qū)I(yè)實(shí)驗(yàn)教師尋求幫助,并將理論知識(shí)迅速運(yùn)用到實(shí)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(dòng)接受”的學(xué)習(xí)模式,調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)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(shí)驗(yàn)室開展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)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(diǎn),克服傳統(tǒng)焊接堆焊效率低、變形大等缺點(diǎn),“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(gè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)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(jiǎng),在準(zhǔn)備競賽的過程中運(yùn)用理論知識(shí)解決問題,并在運(yùn)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(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)領(lǐng)域，但激光加工實(shí)驗(yàn)室的安全管理不容忽視。

3.1 安全準(zhǔn)入管理

(1) 安全培訓(xùn)。安全培訓(xùn)是激光加工實(shí)驗(yàn)室管理的關(guān)鍵,每年定期對本科生和研究生及其他實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行安全培訓(xùn),主要是講解激光加工設(shè)備管理、操作、實(shí)驗(yàn)室氣體存放與使用,并進(jìn)行安全考試?？荚嚭细裾咝韬炗啺踩兄Z書方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。從根本上杜絕沒有專業(yè)知識(shí)和安全素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)者進(jìn)入實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)入管理。準(zhǔn)入管理是安全管理體系的重要組成部分[11]。激光加工實(shí)驗(yàn)室采用預(yù)約登記方式,經(jīng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師同意后,方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)記錄。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)告知實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師,及時(shí)解決問題,杜絕安全隱患。此外,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝指紋鎖以及高清監(jiān)控措施,注重對實(shí)驗(yàn)過程的管理,并起到良好的監(jiān)督作用。

3.2 實(shí)驗(yàn)防護(hù)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(yán)重時(shí)導(dǎo)致失明。激光加工實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配備了完善的實(shí)驗(yàn)防護(hù)用具,防護(hù)眼罩或護(hù)目鏡用來保護(hù)眼睛和臉部,實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)者需佩戴個(gè)人呼吸防護(hù)用品,比如防毒面具或防毒口罩等,防止實(shí)驗(yàn)過程中有害氣體的侵入。

3.3 實(shí)驗(yàn)室應(yīng)急措施

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過程中安裝煙霧報(bào)警器,同時(shí)按照激光加工實(shí)驗(yàn)室面積及人員標(biāo)準(zhǔn)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(shí)能夠及時(shí)處理。此外,學(xué)校高度重視實(shí)驗(yàn)室安全工作,定期舉行逃生演練,確保實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)高能束激光加工實(shí)驗(yàn)室的功能化劃分及管理,促使實(shí)驗(yàn)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(shí)的理解,有助于提高學(xué)生分析、解決問題的綜合能力。同時(shí),建立健全激光加工實(shí)驗(yàn)室安全管理制度,通過安全培訓(xùn)、準(zhǔn)入管理、配備實(shí)驗(yàn)防護(hù)用具以及應(yīng)急措施,確保實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行。