不锈钢小支管插套焊易于现场装配,在核电机组管道系统中得到广泛的使用,然而,在核电机组运行期间,小支管插套焊接头会出现疲劳开裂,严重影响核电的安全运行。本文针对304L不锈钢及ER308L不锈钢焊丝制备的插套焊焊接接头,从材料和实际结构两个方面对棘轮行为及疲劳性能进行了系统的研究。对母材和焊缝进行了单轴循环实验,结果表明,母材为循环硬化材料,循环行为分为初始硬化、软化和二次硬化三个阶段,棘轮行为包括初始的高棘轮应变率衰减阶段、常棘轮应变率阶段和断裂前的加速棘轮应变率阶段;焊缝表现为循环软化特性,仅在循环初始的数个循环里出现轻微的循环硬化,棘轮行为分为初始的低棘轮应变率衰减阶段、常棘轮应变率阶段和加速棘轮应变率阶段。在宏观循环加载实验的基础上,针对同一加载水平下不同循环周次的试样,通过透射电子显微镜观察了应变循环和棘轮变形不同阶段时母材和焊缝内部典型的位错结构及其演化规律,对两种材料应变循环和棘轮变形的微观机理进行了定性的解释:母材中从结构简单的位错组态向结构复杂、密度较高的位错组态演变,形变孪晶、剪切带与位错墙/通道结构、位错胞之间的演变关系控制了母材的循环硬化行为及棘轮行为;而焊缝中由初始状态的密度较高、结构复杂的位错组态逐渐向低密度的位错组态演变,这也导致了焊缝的循环软化行为及其加速的棘轮变形。通过预制坡口和焊趾熔修对原始插套焊结构进行改进,利用X射线和有限元模拟技术,对插套焊的焊接残余应力分布进行了研究,研究发现,预制坡口和焊趾熔修可以有效地改善焊根和焊趾处的残余应力状态,降低焊根处的拉伸残余应力,在焊趾处形成压缩残余应力,而且降低了焊趾处的应力集中情况,从而提高疲劳性能。模拟核电管道实际承载工况,对插套焊进行了循环加载实验,结果表明,通过预制坡口和焊趾熔修两项改进措施,插套焊的疲劳寿命最大提高了70%,疲劳性能得到了很大程度的改善;结合一种新的修正W?hler曲线法(MWCM)来评估插套焊的疲劳寿命,并通过参数的改进提高了预测精度,所建立的疲劳寿命预测方法评估流程简单,能够准确地预测插套焊的低周疲劳寿命,具有工程实际意义。