核电属于世界上业界公认的清洁度最高的能源之一。与传统的火电能源相比,核电不会引起SO₂,NO,NO₂等温室气体,对于减少自然界中的酸雨现象和温室效应有十分重要的意义。核燃料棒作为核反应堆中的主要组成部分,其性能直接关系到核电站的安全性。通常需要将核燃料棒放置在高温、高压及强中子的工况下服役,其质量直接影响核反应堆的安全运行。改革开放之后,核燃料棒的加工制造工艺迅速发展,但是仍然存在许多不完善的地方,制造生产的核燃料棒依然以一定的小概率出现常见缺陷,如凹坑、皱折、气孔、夹杂。在确保核燃料棒自身所有性能当中,包壳和端塞之间的焊缝是整个核燃料棒结构最脆弱的一环,对其常见缺陷的检测需要最为严格。无损检测是一种最常用的质量评价方法,而超声检测作为无损检测的重要成员,拥有较高的检测精度,较强的检测能力,低廉的成本,并且能够通过超声成像帮助检测人员甄别核燃料棒的缺陷大小、缺陷位置,另外,可以通过图像处理综合评价核燃料棒的机械性能和表面质量。本课题采用超声检测方法,可实现对核燃料棒端塞焊缝常见缺陷的定性分析与定量分析,并能对完善核燃料棒的加工制造工艺作出建设性的指导建议。本课题在国家重点研发计划项目（2016YFF0203000）、国家自然科学基金（No.51675258,51261024）、江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ150699）资助下,针对核燃料棒端塞焊缝常见缺陷问题,研制了多种角度多个探头检测核燃料棒的超声特征成像检测系统。系统分析和处理多通道检测全波列信号,通过直观的特征成像图呈现出核燃料棒端塞焊缝的质量状况。软件系统能够以直观的形式形成以幅值或相位为特征参量的检测图像,帮助检测人员准确无误地评价核燃料棒端塞焊缝的质量。检测系统的定量精度能够达到0.2mm,分辨率能够达到0.01mm。检测系统对孔类的检测当量达到φ0.2mm,对裂纹类的检测能力达到壁厚的3%。这样的检测能力得力于自主研发了高性能的超声探头架和高精度的机械扫查系统,确保检测的稳定性和精度。论文主要分为三个部分,第一部分主要论述核燃料棒端塞焊缝超声特征扫描的检测特点和检测方案,并为实现核燃料棒端塞焊缝区域内缺陷的检测,研制了相应的高性能超声换能器。首先,为了达到检测目的,提出了系统的总体方案,包括机电一体化方案和超声激励接收方案;其次,根据工件的结构特点、检测需求设计超声检测的常规参数,选择横波检测,并且选择球面晶片制成的几何聚焦探头进行检测,对入射角等其他重要参数也做了设计;后面提出了人工缺陷试块的检测方案;最后针对方案研制特定的超声换能器并做测试,测试结果令人满意,灵敏度和GE探头差别仅为2dB。第二部分详细阐述了检测系统机械装置的设计和超声检测系统的电气系统和软件系统,帮助完成核燃料棒超声特征成像的自动检测。本部分设计和制作一台端塞焊缝超声特征扫描成像系统,主要是从机械设计的角度出发,对整体的机械装置做了方案;为了减小电信号的干扰,本设备采用气压传动,能够完成各个动作,从动力源的角度出发并根据扫查特点设计横向、纵向和旋转三大传动循环系统;另外,为了保证核燃料棒在检测过程中的同轴度,需要设计夹持装置;由于气泡对检测系统的干扰比较大,本系统采用专用设计的耦液循环系统;最后,针对端塞焊缝的几种常见缺陷,需要探头布置成不同的入射角,进而研制出高精度可调探头架,更加有效地识别缺陷,以防漏检和误检。第三部分主要是实验结果与分析,通过检测制作好的带有人工缺陷的标准试棒,验证检测系统的检测能力和检测精度。本部分对核燃料棒端塞焊缝人工缺陷进行检测;首先制备检测用的人工缺陷试块,对不同的缺陷类型选用不同的电极来制备;后续对环焊缝和密封焊的人工缺陷进行检测,检测完保存检测图像,且利用特征扫描成像层析技术进行分析和处理,检测结果比较理想,系统基本达到检测要求。