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焊接质量管理与检验

焊接质量管理与检验

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焊接质量管理与检验

现代电阻焊技术可以得到高质量焊接接头。

但由于电阻焊过程中受众多偶然因素的干扰<表面状况不良、电极磨损、装配间隙的变化、分流等工艺因素的随机波动、焊接参数的波动……），要想杜绝生产中个别接头质量的降低、废品的出现还是有困难的。

因此，必须对电阻焊产品的生产全过程进行监督和检验，保证其在规定的使用期限内可靠地工作，不致因焊接质量不良导致产品丧失全部或部分工作能力。

一、电阻焊的全面质量管理

电阻焊全面质量管理的主要任务是预防和及时发现焊接缺陷，确定焊接接头质量等级，保持所有生产因素的稳定性，并保证获得高而稳定的产品质量。

质量管理内容如图1所示。

b5E2RGbCAP

图样工艺性审查的目的是为了保证焊接结构<件）的良好工艺性。

如审查金属的厚度及材料牌号、焊缝位置的布置、焊接接头的形式、接头的开敞性、点距及搭边尺寸等。

审查合格后，进行工艺会签。

p1EanqFDPw

焊前有关工序检验主要是对焊前准备的检查，是贯彻预防为主的方针，最大限度避免或减少焊接缺陷的产生，是保证焊接质量的积极有效措施。

DXDiTa9E3d

电阻焊焊工应有较高的操作技术水平，因为焊接夹具、工艺装备和电阻焊机较为精密、复杂，机械化、自动化程度高，操作中稍许失误<如工件放置偏离，电极冷却不良或修磨不规范，夹具使用不当…）都会造成批量性不合格品出现。

RTCrpUDGiT

生产实践表明，电阻焊焊接质量与焊机性能和焊接参数关系极为密切。

因此，必须保证焊接参数的正确选用，同时对各参数实行监控；电阻焊设备在安装和大修之后或控制系统改变之后，必须进行焊机的稳定性鉴定，确保鉴定合格后方可焊接产品。

鉴定工程及要求见表1、表2和表3。

5PCzVD7HxA

表1点焊机和缝焊机稳定性鉴定工程及要求

焊机

类别

接头

等级

试件

总数/个

宏观金相检验

X射线检验

剪切实验

数量/

个

要求

数量/

个

要求

数量/

个

要求

点

焊

机

一、二级

105

5

熔核直径应符合表7-3要求，焊透率在20％～80％之间、压痕深≤15％，无其他缺陷

100

除允许有<0.5mm的气孔外，无其他缺陷

100

1.强度值均大于表7-2的要求

2.90％的试件的强度应在FT①的±12.5％范围内，其余的应在FT的±20％范围内

三级

－

不要求

100

1.强度值均应大于表7-2的要求

2.90％的试件的强度应在FT的±20％范围内，其余的应在FT的±25％范围内

缝

焊

机

一、二级

300mm②或600mm长焊缝

纵向2

横向3

焊缝宽应大于表7-3的值，焊透率在20％～80％范围内，压痕深度<15％

全部

除允许有<0.5mm的气孔外，无其他缺陷

5

大于母材强度的85％

三级

纵向1

横向2

－

不要求

5

铝合金要求其强度大于母材抗拉强度的80％～85％

①FT为试件抗剪力的平均值

②铝合金要求焊600mm，碳钢及不锈钢要求焊300mm长的焊缝。

表2室温单点抗剪力最小要求值

材料厚

度/mm

室温最小单点剪切力/N（点>

2A11-T4

7A16-T4

2A16-T4

5A02

5A03

7A04-0

10和

20钢

30CrMnSiA①

25CrMnSiA①

强度>1035

MPa的不锈钢

强度<1035

MPa的不锈钢

TA7

TC3

TC4

TA1

TA2

TA3

TC2

0.3

－

－

784

882

1225

890

1275

980

0.5

540

440

1420

1665

2355

1735

2450

1765

0.8

930

830

3040

3530

4650

3445

4410

3530

1.0

1235

1125

3920

4705

6500

4735

6670

4900

1.2

1520

1370

5488

4510

8700

6200

8340

6370

1.5

2450

2060

7840

8820

10000

7500

12750

9810

2.0

3530

3040

10780

12740

14000

8900

17560

12750

2.5

4700

4110

14700

14895

20000

11400

22560

15690

3.0

6175

18620

19600

25000

17000

26480

18630

3.5

8000

－

20000

－

31000

23000

－

－

4.0

10000

－

－

－

－

－

－

－

①30CrMnSiA和25CrMnSiA点焊前为退火状态，焊后未处理。

表3允许的最小熔核直径

材料厚度/mm

最小熔核直径/mm

铝合金

碳钢及低合金钢

不锈钢

钛合金

0.3

－

2.2

2.2

2.5

0.5

2.5

2.5

2.8

3.0

0.8

3.5

3.0

3.5

3.5

1.0

4.0

3.5

4.0

4.0

1.2

4.5

4.0

4.5

4.5

1.5

5.5

4.5

5.0

5.5

2.0

6.5

5.5

5.8

6.5

2.5

7.5

6.0

6.5

7.5

3.0

8.5

6.5

7.2

8.5

3.5

9.0

7.0

7.6

－

4.0

9.5

－

－

－

注：

缝焊焊缝的熔核最小宽度，比点焊熔核直径要求大0.2～0.5mm<板厚≤1.0mm），0.5～1.0mm<板厚1.2～3.0mm）。

jLBHrnAILg

电阻焊接头的质量检验，分为破坏性实验和无损检验两类。

破坏性实验是普遍应用的评定接头质量的方法，通过对试件或焊件的抽样检查取得接头性能数据。

由于技术上保证了试件或抽样具有与焊件同样的质量特性，因此，能够通过对少数样件的检验来判定整批焊件的质量。

抽样检查的数量应根据产品的重要程度<接头质量等级）和生产的稳定性来确定，一般在生产检验目录清单和生产说明书中均有明确规定；无损检验可在不破坏焊件情况下对其表面及内部缺陷存在的情况进行检查，在焊件的生产过程中及时剔除出现的不合格产品。

在成品验收时，检查是否达到设计要求。

同时，产品在役运行中亦能经常地或定期地检查是否出现危险缺陷，以防止事故发生。

所以，无损检验在质量管理、质量检验和维护检验中，都是一种有效的、经济的技术。

重要的电阻焊结构<件）质量检验流程如图2所示。

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二、电阻焊接头的主要质量问题

焊件使用条件不同，所要求的焊接接头质量指标也不同，通常国内外将焊接接头分为三个等级

LDAYtRyKfE

注：

①HB5282－1984为中国航空工业部标闪；MIL－W－6858D为美国军用规范。

表4焊接接头等级

接头等级

质量要求

一级

承受很大的静、动载荷或交变载荷；接头的破坏会危及人员的生命安全

二级

承受很大的静、动载荷或交变载荷；接头的破坏会导致系统失效，但不危及人员的安全

三级

承受较小的静载荷或动载荷的一般接头

根据焊接接头等级的不同，检验的工程和要求也不同，由各专业技术条件规定。

2．1点、缝焊接头的主要质量问题

点焊接头的质量要求，首先体现在接头应具有一定的强度，这主要取决于熔核尺寸<直径和焊透率）、熔核和其周围热影响区的金属显微组织及缺陷情况。

多数金属材料的点焊接头强度仅与熔核尺寸有关；只有可淬硬钢等对热循环敏感的材料，当点焊工艺不当时，接头由于被强烈淬硬而使强度、塑性急剧降低，这时，尽管具有足够大的熔核尺寸也是不能使用的。

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缝焊接头的质量要求，首先体现在接头应具有良好的密封性，而接头强度则容易满足。

密封性主要与焊缝中存在某些缺陷<局部烧穿、裂纹等）及其在外界作用下<外力、腐蚀介质等）进一步扩展有关。

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点、缝焊接头的主要质量问题参见表5。

此外，点、缝焊时由于毛坯准备不好<如折边不正、圆角半径不符合要求等）、组合件装配不良、焊机电极臂刚性较差等原因会造成焊接结构缺陷，这种缺陷也会带来质量问题，甚至出现废品。

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2．2对焊接头的质量问题

对焊接头的质量要求，体现在接头应具有一定的强度和塑性，尤其对后者应给予更多的注意。

通常，由于工艺本身的特点，电阻对焊的接头质量较差，不能用于重要结构。

而闪光对焊，在适当的工艺条件下，可以获得几乎与母材等性能的优质接头。

EmxvxOtOco

许多资料表明，对焊接头的薄弱环节通常是焊缝，破坏往往是由于焊缝中存在着缺陷而造成。

其中最有代表性的最危险的缺陷是未焊透，它将使接头塑性急剧降低。

另外，在对焊接头组织缺陷中还有淬硬<出现马氏体M）、软化<脱碳而使铁素体F大量增加）、晶纹<纤维流线）强烈弯曲和呈现“横流”。

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对焊接头的主要质量问题参见表6。

三、电阻焊接头质量检验标准

目前，有关电阻焊质量检验标准较少和尚不完善，尤其是对焊的质量检验多散见于某些产品标准之中。

3．1接头力学性能方面的规定

HB5282－1984①、HB5276－1984②对点、缝焊接头强度作了规定，见表2。

〔注：

①HB5282－1984结构和不锈钢电阻点焊和缝焊质量检验<航空工业部标准）。

②HB5276－1984铝合金电阻点焊和缝焊质量检验<航空工业部标准）。

〕

应该注意，不同厚度板材组合焊接，按薄板计算接头强度；异种材料<板厚相同）组合焊接，按强度极限低的材料计算接头强度；不同厚度、不同材料组合焊接，按承载能力低的一侧板材计算接头强度。

同时，点、缝焊接头的抗拉强度均比抗剪强度要低，钢和耐热合金的抗拉强度约为抗剪强度的60％～75％，而轻合金仅为30％～40％，当温度提高时，这一比值还要低。

因此拉伸实验时<图3），熔核边缘将产生极为严重的应力集中和拉力垂直作用于柱状晶相碰的薄弱界面上，疲劳强度则更低，仅为静抗剪强度的5％～20％。

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单点或单排焊点的点焊接头，其静载强度是不可能达到与母材等强度的，这主要因为搭接接头力轴之间有偏心距△<图4），焊点除受切应力外，还承受由偏心力引起的拉应力。

只有采取多排多列<最好交错开排列）焊点的接头才可获得与母材等强度。

但此时的动载强度仍然较低。

为解决此问题的措施，可采用涂胶的胶接点焊复合工艺。

缝焊接头的静、动载强度均比点焊接头高，尤其静载强度，对于焊接性良好的材料可不低于母材，但此时接头的疲劳寿命仍远低于其他熔焊方法。

kavU42VRUs

点、缝焊接头拉伸实验按GB/T2651－1989进行，疲劳实验按GB/T15111－1994点焊接头剪切拉伸疲劳实验方法进行。

y6v3ALoS89

有关对焊接头的质量检验中，除规定接头的强度指标外，也对接头的塑性、韧性指标作了规定，尤其对重要的焊接结构，后者受到了更大的注意。

这主要由于电阻对焊或闪光对焊的接头形成实属固相连接，其最危险的缺陷<未焊透、裂纹等）对塑性的降低影响更为显著的缘故。

M2ub6vSTnP

电阻焊对接接头的拉伸实验按GB/T2651－1989进行，其实验包含焊缝、热影响区与母材三种性能差异甚大的区域，低碳钢和某些焊接性良好的材料，电阻对焊获得的接头抗拉强度可达母材的90％以上，而闪光对焊获得的接头抗拉强度则更高；冲击实验按GB/T2650－1989进行，由于焊缝很窄，缺口加工时可能会产生偏差，所得数据会较分散；压扁实验仅用于对接缝焊管的检验，可代替弯曲实验；弯曲实验按GB/T2653－1989规定进行，接头一般均作横弯实验。

这里应该注意，对焊接头的质量检验常按相关专业标准规定进行，例如矿用圆环链的闪光对焊接头质量检验见表7。

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表7ф16×64型矿用圆环链<23MnNiCrMo64）力学性能

项

标目

准

质量级别

实验载荷

F/kN

实验载荷下最大伸长率

δ（％>

破断载荷

FM/kN

破断时最小伸长率

δ（％>

脉动循环

次数

N/次

弯曲挠度值

ƒ/mm

MT36-80

B

260

1.4

≥320

12

>50000

16

C

330

1.6

≥410

12

>70000

16

D

410

2.0

≥510

12

>70000

16

ISO/R610

B

260

1.4

≥320

12

>50000

14

C

330

1.6

≥410

12

>70000

14

D

410

1.9

≥510

12

>70000

14

综上述，电阻焊接头力学性能实验可参考8选择工程。

表8电阻焊接头力学性能实验工程选用表

焊接方法

实验工程

点焊

凸焊

缝焊

对焊

对接缝焊

剪切实验

○

○

○

－

－

正拉实验

○

○

－

－

－

拉伸实验

－

－

－

○

－

冲击实验

－

－

－

○

－

压扁实验

－

－

－

○

弯曲实验

－

－

－

○

－

疲劳实验

○

○

－

○

－

扭转实验

○

○

－

－

－

注：

○－表示选用；――表示不选。

3．2接头缺陷方面的规定

有关点、缝焊接头缺陷的指标规定，见表9。

其中焊点、焊缝的压痕深度：

一级接头不超过板厚10％；二级接头不超过板厚15％；三级接头不超过20％。

有关熔核尺寸、焊缝宽度、焊透率、重叠量等规定可参阅前面章节中的有关内容。

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表9点、缝焊接头允许存在和修补的缺陷数量<％）及推荐修补方法

缺陷名称

允许存在

（不大于>

允许修补

（不大于>

缺陷修补方法

备注

一级

二级

三级

一级

二级

三级

外部飞溅

0

0

0

5

10

15

机械清理

过深压痕

5

10

10

0

0

0

脱焊

0

0

0

1

2

5

重焊、铆接

熔核过小

0

0

0

3

5

10

重焊、铆接

外部裂纹

0

0

0

3

5

10

重焊、氩弧焊、铆接

表面

发黑

点焊

3

5

10

5

10

15

机械清理

2A21、5A02允许不修补

缝焊

10

15

25

15

20

30

板边胀裂

0

0

0

1

2

5

氩弧焊、锉修

烧穿

0

0

0

0

每班1个

<20mm

每班1个

<20mm

氩弧焊

每个焊件上只允许1个

烧伤

0

0

0

3

5

10

氩弧焊、铆接、机械清理

内部飞溅

3

5

10

5

10

15

清除可见溅出物

内部裂纹

及气孔

0

5

－

5

10

－

重焊、铆接、氩弧焊

校正引起

的脱开

0

0

0

2

5

5

重焊、铆接

缺陷总数

5

10

15

10

15

20

不包括表面发黑

注：

表中数值为有缺陷的焊点数占焊点总数的百分数及有缺陷的焊缝长度占焊缝总长的百分数。

从焊件上切取试样进行低倍检验时，熔核内部允许存在缺陷的尺寸及分布范围：

在熔核长轴方向，一级接头单个缺陷不大于0.3d，二级接头不大于0.5d，且所有缺陷不超出熔核中心长轴方向0.7d范围；在短轴方向，由结合面伸向板厚方向的深度

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低倍检验中所用腐蚀液见表10。

表10低倍腐蚀液的成分

受检材料

铝合金

铜合金

钛合金

低碳钢

低合金钢

不锈钢

高温合金

腐蚀液成分

<体积分数％）

HCl15

HNO315

HF20

水50

过硫酸氨10

水90

HF1

HCl1.5

HNO32.5

水95

HNO32

酒精98

－

CuSO44g

HCl20mL

酒精20mL

四、电阻焊接头检验方法

电阻焊接头的质量检验，分为破坏性检验和无损检验两类。

4．1破坏性检验

破坏性检验主要用于焊接参数调试、生产过程中的自检<操作人员自行检验）和抽验<检验人员按工艺文件规定的比例进行抽查检验）。

破坏性检验实际上只能给以参考性的信息、由模拟而来的信息，因为实际工作的接头往往是未经检验的。

但是由于该类检验方法简单和检验结果的直观性，在实际生产中仍然获得了广泛使用。

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1.撕破检验

用简单工具在现场对点、缝焊工艺试片进行剥离、旋铰、扭转和压缩<图6）等，可获得焊点直径、焊缝宽度、强度等大致定量概念，但不能得到较准确的性能数值。

有时在断口上能观察到气孔、内喷溅等缺陷。

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2.低倍检验

对点、缝焊工艺试片作低倍磨片腐蚀后，在10～20倍读数放大镜下观察、计算可获得有关熔核直径、焊缝宽度、焊透率和重叠量等准确数值。

同时，也能观察到气孔、缩孔、喷溅和内部裂纹等缺陷。

低倍检验在铝合金等重要结构的点、缝焊接头的现场实验中具有重要地位。

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3.金相检验

对点、缝焊接头均可采用，目的是了解接头各部分金属组织变化情况，以及观察裂纹、未焊透、气孔和夹杂等几乎所有内部缺陷情况，以便为改进工艺和制定焊后热处理规范提供依据。

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4.断口分析

基本同金相检验，多采用扫描电子显微镜。

5.力学性能实验

用以鉴定电阻焊接头的强度、塑性和韧性等是否满足相应的力学性能指标要求，常采用的实验方法见表8。

各实验方法所用试件及原理参见<缝焊基本原理）中提到过的相关标准，力学性能指标可查阅有关专业标准的规定。

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应该指出，力学性能实验有时并不采用标准试样和标准实验方法，而是根据产品的使用条件和要求，采用与接头部位结构相仿的模拟试件或直接用结构本身作实验。

这种实验往往同时反映出接头强度、塑性等多种性能指标的综合。

当然，这种实验所能反映客观要求的准确性，应当在产品大量使用过程中受到考验。

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例如，矿用圆环链ф18mm×64mm的弯曲实验<图7），以其弯曲变形达到规定的找度值ƒ<16mm，链环不应有开裂和链环受弯后的破断载荷不能小于规定链环最小破断载荷的50％<参见表7-7），以此来反映高强圆环链闪光对焊接头的强韧性好坏。

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4．2无损检验

对电阻焊接头进行无损检验可有两类方法：

其一是目视检验、密封性检验以及施加规定载荷下的接头强度检验等；其二是一些物理检验方法，即X射线检验、超声波检验、涡流检验、热图像法检验和磁粉检验等。

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1.目视检验

用观察<允许用不大于20倍的放大镜）和实测法检查几何形状上的缺陷，以及可观察到外部裂纹、表面烧伤、烧穿、喷溅和边缘胀裂等缺陷。

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2.密封性检验

主要用于气密、油密和水密的缝焊接头。

通常可用气压法<0.1～0.2MPa）枕形试件<图8）或结构本身在水中进行，也可用液压法、氨气指示法、氦质谱法及卤素检漏法等。

其中氦质谱法精度最高，可查出2.4×10－4mm3/h最小泄漏容积。

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3.施加规定载荷下的接头强度检验

这种检验方法是根据产品要求、生产特点和条件而确定的。

例如，闪光对焊汽车轮辋后，需要用扩胀机作扩口实验，这既检验了接头质量，又代替了整形工序，一举两得。

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4.X射线检验

接头内部缩孔、气孔、裂纹和板间缝隙内的喷溅<点、缝焊）可在X射线透视时发现<图9）。

同时，对有区域偏析的焊点，可以检测出熔核尺寸和未焊透缺陷。

例如，2A12铝合金焊点，由于枝晶偏析使熔核边缘部位形成富铝贫铜区，对X射线吸收减弱，因而在透视底片上呈现暗色圆环<黑环）；又由于塑性环所造成的金属增厚及合金成分的聚集<强化相），使这里吸收X射线较强，因而透视底片上呈现亮晕<白环），2A12在有包铝层时以上现象更为显著<图10）。

因此，可用黑环直径确定出熔核尺寸。

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点焊镁合金时，因核心周围形成富锰区吸收X射线较多，故以白显现于X射线底片上，由此也可判断焊点尺寸和未焊透。

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应该注意，以上情况仅局限在几种铝合金、镁合金中<2A12、2A16、7A04、7A09、MB8等）。

但是，对于其他金属材料，可以通过焊前在焊件内表面特意加入X射线对比层

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5.超声波擦伤

超声波擦伤能够确定完全未焊透<当零件之间有间隙时）、气孔、缩孔和裂纹。

但对“粘着”<未焊透一种）却有困难，这主要因为形成“粘着”的氧化膜厚度较超声波擦伤仪所能检测的尺寸小得多。

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6.涡流擦伤

涡流擦伤可以检验熔核尺寸及未焊透缺陷，其原理是利用熔核直径的大小与焊接区导电性之间已确定的关系来进行比较。

例如，铝合金点焊熔核为正常尺寸时，焊接区的导电性比母材金属降低10％～15％，而发生未焊透时只降低5％～7％。

工作时，探头放在焊点表面上，产生的交变磁场在零件中感应出涡流，涡流的大小取决于熔核尺寸。

如果熔核减小，金属导电性便提高，也就引起探头一零件系统的电参数变化，造成输出电压相位的改变，因而使测量仪表指针作相应偏摆。

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7.无损检验新技术

电阻焊是一种机械化、自动化程度颇高的高效先进焊接方法，焊接接头质量的在线自动检测技术始终是其发展方向和研究热点。

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<1）点焊接头的射线实时成像法自动检测在航空航天产品上，很多结构采用铝合金点焊，对焊点的质量要求很高。

由于点焊焊点内部组织的特点，通过射线照相可以在底片上发现焊点内部的缺陷；但是其检测效率很低且周期长。

若采用实时成像的方法可以较好地解决这一问题。

图

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11a为2A12-T4铝合金的焊点原始数字图像，图中灰度较高的环形影像是所谓的亮环，亮环内部灰度较低的圆形部分是焊后形成的熔核，中心部位灰度更低且呈不规则的条纹等裂纹、夹渣和气孔等缺陷。

图11b为计算机处理后的输出图像，其圆形边界为计算机处理的区域，从图中可以清晰地看到二值化缺陷图像。

经识别诊断程序的进一步处理，可实现质量的自动评价。

IAg9qLsgBX

（2）点焊接头的自动超声检测电阻焊焊点质量的C扫描检测系统的结构如图12所示。

系统采用直径12mm、水中焦距26.4mm、焦柱直径0.34mm、频率为10MHz的超声波聚集探头，进行二维扫查。

其原理是基于超声波的会聚效应和由于多次反射造成的反射波衰减，使紧密结合面的底波与交界面波分开。

将超声波的发射