空间焊接需要电子束焊接接头具有优异服役性能,电子束焊接接头质量及性能与焊缝成形直接相关,熔池流动很大程度上决定了焊缝成形。真空、微重力环境降低了电子束熔池试验研究可达性,数值模拟是最佳手段。空间焊接对数值模拟精度提出了高要求,本文以提高数值模拟精度为中心思想,建立高精度电子束焊接热源模型和数值模拟模型,对5mm厚TC4钛合金电子束焊接开展数值模拟研究,为空间焊接技术研究打下基础。对电子枪结构建模并调节栅极电压,在不同束流条件下计算。增大栅极电压绝对值限制了阴极的电子发射面积,束流2m A和18m A时束斑直径不同,分别为0.26mm和1mm,而束斑位置相差0.4mm。束流18m A时,电子束会聚、发散角度几乎相等,为0.92°,电子束径向能量分布比高斯分布更集中,热源中心能量密度是高斯分布的1.67倍。根据电子光学计算结果建立了新的电子束焊接热源模型。对5mm厚的TC4钛合金电子束焊接进行热流耦合数值模拟,得到了与试验吻合较好的焊缝横截面形貌,熔深、熔宽以及焊缝颈部宽度的相对误差分别为0.42%、0.47%和3.9%,模型精度较高。电子束热源中心能量密度高,外围能量密度低造成了匙孔的形貌窄而深,并在开口处较宽。匙孔不断振荡,其最大振幅可达1.4mm,振荡频率可达1755Hz。背散射电子对熔池的加热使电子束有效能量的6.97%作用于熔池上部,尤其是匙孔颈部以上的位置。TC4钛合金钉形电子束焊缝成形的根本原因是电子束热源特性,直接原因是匙孔振荡,背散射电子加热和Marangoni对流,其中匙孔振荡和背散射电子加热造成熔池上部能量累积,Marangoni对流使熔池能量由焊缝中心流向焊缝两侧。在电子束活性区范围内,将束斑向上和向下移动10mm进行计算。电子束离焦导致电子束热源中心在工件表面的能量密度减小为表面聚焦时的57.36%,而热源外围能量密度近似相等。此外,沿焊缝深度方向,下聚焦时,电子束能量逐渐集中,束斑尺寸逐渐减小,上聚焦则相反。电子束能量分布的改变影响了匙孔形貌及其动态行为,但没有改变熔池流动基本规律。电子束离焦后,匙孔变得宽而浅,且匙孔振荡频率减小,下聚焦和上聚焦匙孔振荡频率分别为1495Hz和995Hz。匙孔形貌及其动态行为的变化改变了熔池特征进而影响焊缝成形,电子束离焦后焊缝形貌由钉形向钟罩形转变。