钛合金因其优异的耐腐蚀性能、高比强度和高抗冲击及抗疲劳性能,其管结构被广泛应用于石油化工、海洋工程、航空航天等领域。由于大部分均为厚壁管道,且焊接时变位困难,工程上越来越多地采用全位置的方法进行焊接。高能束焊因其熔透能力强、焊接速度快及接头性能好等优点,广泛应用于钛合金的焊接。等离子弧焊作为高能束焊的一种,具有成本低、操作简单、工作环境要求低等优势,是焊接钛合金的一种理想选择。因此针对钛合金厚壁管道的优质焊接,研究全位置等离子弧焊具有宽广的发展前景。本文选用Φ219×8.8mm规格的TA2、TC4钛合金管道作为试验材料,采用全新研制的全位置等离子弧焊自动焊接设备进行I型坡口、无间隙、不填丝的对接试验,优化设计了背面保护气罩,研究了焊接参数对焊缝成形的影响规律、全位置等离子弧焊焊缝成形机理以及焊接接头的显微组织与力学性能,得到如下结果:(1)采用双层气筛及液冷对背面保护气罩进行改进设计,使保护气体在出口处达到良好的流动状态,优化后的背面保护气罩的保护效果及使用寿命明显提高。(2)在仰焊位置进行了单因素试验,得到了TA2焊缝成形良好的规范区间,为工艺试验设计提供依据,采用响应面法进行了工艺试验,并建立了焊缝成形参数与焊接参数之间的二次回归方程模型。通过单因素和多因素交互影响分析得出影响焊缝正、背面熔宽的主要因素为脉冲峰值电流I_p、等离子弧气流量Q以及焊接速度v;影响焊缝正、背面余高的主要因素为焊接位置P以及其交互因素。通过软件预测并试验验证得到了成形良好的TA2焊接参数,进一步试验优化得到成形良好的TC4焊接参数。(3)分析了全位置穿孔熔池的受力情况,得出重力是造成全位置焊缝熔池失稳的主因,并根据不同焊接位置的力平衡判据,得出使焊缝成形良好的焊接参数控制措施。(4)TC4管道全位置焊缝经X射线检测,无缺陷产生。各特征位置焊接接头过渡区组织为相变过程中β相的混合物。焊缝区及热影响区相组成成分基本相同,主要由网篮状α’相、针片状α相以及粗大的β相组成。工艺优化后的焊接接头拉伸与冲击性能有所提高,拉伸与冲击性能良好,拉伸试样与冲击试样均为微孔聚集型塑性断裂,接头韧性较好。各位置焊接接头焊缝区与热影响区显微硬度的平均值均高于母材。表明钛合金管道全位置PAW焊接工艺可满足工程实际应用需求。