在航空航天、新能源汽車(chē)以及高端電子制造領(lǐng)域，高反光金屬（如鋁合金、鈦合金、鏡面不銹鋼）的焊接質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與安全性。然而，傳統(tǒng)焊縫跟蹤技術(shù)在面對(duì)此類(lèi)材料時(shí)，常因金屬表面強(qiáng)反射光導(dǎo)致傳感器信噪比驟降，引發(fā)跟蹤失效。現(xiàn)有研究多聚焦于硬件濾光或算法降噪，卻忽視了材料動(dòng)態(tài)熱效應(yīng)對(duì)光場(chǎng)特征的深度干擾。本文將探討一種基于多模態(tài)光學(xué)耦合與熱形變補(bǔ)償的激光焊縫跟蹤系統(tǒng)，揭示其在極端反射場(chǎng)景下的技術(shù)突破。

一、高反光材料的“雙刃劍”效應(yīng)：反射干擾與熱形變耦合

高反光金屬的鏡面特性在焊接過(guò)程中形成復(fù)雜光學(xué)環(huán)境：一方面，激光光源（如980nm波段）在材料表面產(chǎn)生二次反射諧波，導(dǎo)致傳感器接收信號(hào)包含大量非線性噪聲；另一方面，焊接熔池的瞬時(shí)熱形變使材料表面反射率發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。傳統(tǒng)單波長(zhǎng)激光三角測(cè)量法在此場(chǎng)景下，誤差率可達(dá)35%以上。
創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)：通過(guò)光譜分析發(fā)現(xiàn)，高反光金屬在熔融態(tài)對(duì)1550nm波段紅外光吸收率提升至62%，而固態(tài)反射率仍保持85%以上。這一特性為雙波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)切換提供了理論依據(jù)。

二、多模態(tài)光學(xué)耦合系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)

1. 雙波長(zhǎng)激光矩陣
   系統(tǒng)采用1310nm+1550nm雙波段激光源，通過(guò)FPGA控制器實(shí)現(xiàn)μs級(jí)切換：

   1. 1310nm用于固態(tài)區(qū)焊縫輪廓掃描，利用其高反射特性捕捉幾何特征；

   2. 1550nm在熔池區(qū)域主動(dòng)激活，穿透等離子體羽流并捕獲液態(tài)金屬形變。
      （實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：雙波長(zhǎng)模式較單波長(zhǎng)定位精度提升73%）

2. 偏振編碼抗干擾技術(shù)
   在發(fā)射端集成電控液晶偏振片，生成左旋圓偏振光。高反光表面反射后偏振態(tài)退化為橢圓偏振，而焊縫凹陷區(qū)的散射光保持原始偏振特性。接收端通過(guò)斯托克斯參量分析，構(gòu)建反射噪聲的偏振域?yàn)V波模型，信噪比提升至18.6dB。

傳統(tǒng)算法僅考慮幾何路徑跟蹤，而忽略焊接過(guò)程中材料熱膨脹系數(shù)（如鈦合金α=8.6×10??/℃）引起的動(dòng)態(tài)形變。本系統(tǒng)引入：

1. 熱流密度場(chǎng)預(yù)測(cè)模塊
   基于有限元仿真預(yù)生成材料熱形變數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)激光功率（P）、焊接速度（v）實(shí)時(shí)索引形變補(bǔ)償參數(shù)。

2. 卷積-長(zhǎng)短期記憶混合網(wǎng)絡(luò)
   輸入層融合光學(xué)信號(hào)、溫度場(chǎng)分布及機(jī)械臂位姿數(shù)據(jù)，輸出端生成六軸機(jī)械手的動(dòng)態(tài)糾偏指令，響應(yīng)延遲<2ms。

在某航天燃料貯箱縱縫焊接中（材料：5A06鋁合金，板厚3mm），系統(tǒng)在以下場(chǎng)景表現(xiàn)卓越：

1. 強(qiáng)環(huán)境光干擾（車(chē)間氙燈照度>10000lux）：跟蹤誤差穩(wěn)定在±0.05mm；

2. 大曲率爬坡焊（曲率半徑R=150mm）：通過(guò)實(shí)時(shí)曲率自適應(yīng)算法，熔深一致性CV值從12.7%降至3.1%；

3. 鏡面不銹鋼疊焊（表面粗糙度Ra=0.05μm）：雙波長(zhǎng)協(xié)同模式成功識(shí)別0.1mm級(jí)微間隙。