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钛合金/不锈钢复合结构具有钛合金比强度高、耐蚀性好和不锈钢价格低廉等优点,能够充分满足现代制造业结构减重和功能多样化要求的同时兼顾经济性,在航空航天、能源化工、发动机以及生物医学等领域具有重要的应用价值。目前钛/钢异种金属熔化焊研究主要集中于激光焊和电子束焊等高能束焊接领域。然而高能束焊接技术及设备复杂、生产成本高,更适用于高附加值的特定对象的小批量生产。相比之下,钨极氩弧焊接头焊接质量高、操作简便、生产成本低,能灵活适应不同的焊接位置和焊接工况,是目前生产制造过程中应用最为广泛的熔化焊技术之一。因此研究开发钛合金与不锈钢的高质量钨极氩弧焊工艺,有利于促进钛/钢异种金属复合结构的推广和应用。然而钛合金与不锈钢物理化学性质差异大,接头中易生成脆性金属间化合物,焊接残余应力高,焊缝易开裂。本文采用1 mm厚TC4钛合金与304不锈钢薄板为主要研究对象,重点探究接头连接模式随焊接工艺的演变规律、焊丝合金元素对界面金属间化合物种类和形态分布的影响机制、接头残余应力的分布特点等关键问题,其研究结果对于不同厚度的钛合金与钢熔化焊连接均具有重要的理论价值和指导意义。本文的主要研究内容及结论如下:（1）首先研究了焊接电流对TC4钛合金/304不锈钢熔化焊接头成形、界面区微观组织及接头力学性能的影响。试验表明,焊缝中大量生成的TiFe2脆性相导致无填丝TC4钛合金/304不锈钢熔化焊接头难以成形,焊后即开裂。采用纯铜焊丝能够有效抑制焊缝中生成TiFe和TiFe2脆性相,避免接头焊后开裂。随焊接电流增加,TC4钛合金/304不锈钢接头连接模式由小电流焊接工艺下的钎焊模式逐渐转变成部分熔焊和完全熔焊模式。在小电流钎焊模式下,接头中TiFe2脆性相被完全抑制,钛/铜界面生成脆性较低的Ti2Cu、TiCu、AlCu2Ti、TiCu4和Ti2Cu3等金属间化合物,接头抗拉强度达到261 MPa。焊接电流升高时,α-（Fe,Cr）固溶体与铜固溶体在铜/钢界面区犬牙交错产生机械互锁效应,接头抗拉强度达到363 MPa。焊接电流增加至60A以上,TiFe2脆性相在铜/钢界面大量生成并呈网状分布,降低了接头抗拉强度。（2）熔合界面区中脆性金属间化合物的生成和控制是影响TC4钛合金/304不锈钢异种金属熔化焊接头力学性能的关键因素。因此,调控金属间化合物的种类,降低接头界面区金属间化合物脆性,就成了改善接头组织及性能的重要途径。本文采用铜合金焊丝焊接钛合金与不锈钢,揭示了铜基焊丝中Si、Al、Ni合金元素对界面区金属间化合物生成和接头力学性能的影响规律。小电流焊接工艺下,Si元素在钛/铜界面区边缘形成带状Ti5Si3相,阻碍了钛/铜界面区和焊缝之间的元素扩散,减少了界面区中的TiCu枝晶相;焊丝中加入Al元素,钛/铜界面区生成AlCu2Ti相,界面区硬度降低。Si、Al元素促进了铜/钢界面处的原子扩散,扩散层厚度显著增加。焊接电流升高时,合金元素的影响被弱化,TiFe2脆性相在界面区中大量生成,成为制约接头抗拉强度提升的主要因素。（3）小电流焊接工艺下Ni元素能促进铜/钢界面形成固溶体,接头抗拉强度随Ni含量增加而升高。熔焊模式下,Ni元素能够细化铜/钢界面区中的TiFe2脆性相。Ni含量增加至30 wt.%时,铜/钢界面区形成富铜γ-（Fe,Ni）固溶体,抑制了 TiFe2脆性相的连续分布,接头抗拉强度达到413 MPa。（4）为进一步揭示TC4钛合金/304不锈钢熔化焊接头界面冶金反应顺序及合金元素对金属间化合物生成的影响,本文基于Miedema理论,建立了形成焓△H、吉布斯自由能G和化学势μi的预测模型。热力学计算结果表明:Si、Al、Ni元素优先与Ti发生反应,抑制了钛/铜界面区中TiFe和TiFe2脆性相的生成。Si、Al、Ni合金元素在化学势驱动下向不锈钢基体扩散,界面扩散层厚度增加。（5）除界面脆性金属间化合物之外,较高的残余应力是制约TC4钛合金/304不锈钢熔化焊接头力学性能的另一个重要因素。本文采用有限元计算方法研究了焊接电流和填充金属对TC4钛合金/304不锈钢钨极氩弧焊接头残余应力分布的影响。计算结果表明:填充纯铜焊丝后,相比无填丝焊接头,高应力区转移至焊缝两侧的热影响区,焊缝中纵向残余应力显著降低。焊接电流升高时,细小金属间化合物在焊缝中产生弥散强化,导致焊缝中纵向残余拉应力增加,焊缝横向裂纹增多。采用镍基合金焊丝时,接头中Von-Mises应力显著降低,焊缝中纵向残余应力远低于焊缝金属抗拉强度,有利于抑制焊缝中的横向裂纹。（6）根据残余应力有限元计算结果,设计了 TC4钛合金/304不锈钢熔焊用Cu+Ni复合填充层,获得了 TC4钛合金/Cu包覆层/镍基焊缝/304不锈钢异种金属复合结构,扩大了焊接工艺窗口,抑制了焊缝中的横向裂纹。Cu中间层可以降低钛合金母材的熔化量,减少钛侧界面区中的脆性金属间化合物。采用Cu+Ni复合填充层,钛侧界面区生成β-Ti、Ti2Ni、TiNi、TiNi3金属间化合物和（Cr,Mo）固溶体;焊接电流升高,钛侧界面区中形成Ti（Fe,Cr,Ni）2和Ni-Fe-Cr-Ti多元化合物。镍基合金焊缝与不锈钢之间形成FeCrNi固溶体,无脆性金属间化合物生成。所有接头均断裂于钛侧界面区,接头抗拉强度均值可达432 MPa,单个试样抗拉强度最高可达485 MPa。