钛合金中厚板越来越多地应用于海洋、国防领域,对于其焊接提出了新的挑战。常采用的焊接方法包括电弧填丝、激光填丝焊接、电子束焊接等,本文所采用的真空激光焊接具有低激光功率下实现大熔深焊接,提高效率、抑制等离子体,抑制气孔缺陷、提高焊接质量与焊接过程稳定性等优点,所需真空度也相对较低,在厚板焊接领域有广阔的应用前景。因此本文研究采用真空激光焊接的方法,对20mm厚的TC4钛合金进行了全熔透焊接,研究了真空度与热输入对焊缝成形的影响特性,焊缝组织特征与力学性能的调控方式。实验结果显示,由于大气环境下的大体积等离子体,在激光功率提高到7k W以上时,焊缝表面成形变差,氧化严重,且熔深很难进一步提升,即使将激光功率提高到30k W,也未能焊透20mm厚钛合金板。引入真空环境可有效抑制等离子体的体积,改善焊缝成形,提高熔深。熔深随真空度的提升而增大,在10Pa的环境压力下,8k W激光功率即可实现20mm厚钛合金板的全熔透焊接,且表面成形良好,无明显缺陷。对比不同真空度下焊缝组织特征,发现焊缝中组织均为边缘向中心生长的柱状晶组成,内部分布网篮状的α’针状马氏体。结合有限元分析,影响焊缝组织形态特征的主要因素是焊接熔池的高温停留时间和冷却速度,真空环境下等离子体稀薄,激光能量利用率提高,熔池温度上升,散热变差,熔池冷却速度慢。因此随真空度的提升,5k W激光功率所得到的焊缝中α’针状马氏体平均长度从29.98μm变为50.11μm。提高激光功率也有同样的影响,在10Pa环境压力下,随激光功率由5k W提高到12k W,α’针状马氏体长度由50.11变为68.33μm。焊缝的组织特征同样影响其力学性能,因为组织的差异,硬度特征体现为:大气环境下细小的马氏体组织对应更高的显微硬度。拉伸结果显示断裂位置均位于母材区域,表明焊缝区域强度高于母材,但塑性远低于母材,延伸率仅为6.3%（母材为12%）。由缺口测试件获得环境压力10Pa与10~3Pa焊缝对应强度分别为1202.3MPa与1261.7MPa,与其马氏体组织特征相对应。由于组织深度方向的不均匀性,性能也表现出不均匀性,10Pa焊缝上部和下部分别为1144.2MPa和1249.4MPa。为改善力学性能的不均匀性与接头塑性,进行了多组热处理制度的调控,发现固溶+时效的方式改善了组织形态,使母材的等轴组织变为双态组织,焊缝马氏体尺寸变小,因此接头抗拉强度与断后伸长率均得到改善,抗拉强度和延伸率分别为1096.2MPa和12%,与未热处理态相比提高了13.6%和90.5%。同时由于焊缝中马氏体尺寸变小,冲击吸收功降低为27.8J。此外,焊缝区组织的变化对焊缝的耐腐蚀性也有一定的影响,焊缝区腐蚀电位由0.133μA变为0.073μA,耐腐蚀性提高。