钛合金在航空航天、石油化工、电子电力、船舶、建筑、汽车、医学等诸多领域中已经得到广泛应用。随着海洋开发的活动逐渐向深远海转移,深海的压力、温度和腐蚀条件对装备的要求更加苛刻,因而对大厚板钛合金结构的需求日益增加,大厚板钛合金的连接则是一项关键技术。本文所研究的60mm大厚板TC4钛合金焊接接头是采用了窄间隙钨极氩弧焊(GTAW)多层焊技术实现的高质量、无缺陷的连接,单道焊缝整体呈均匀、美观的I型形貌。接头强度是评价接头质量的重要指标,是大型结构服役于深海高压环境时的安全性的重要保障。本文要研究在GTAW热作用下,接头显微组织和晶粒取向的演变规律,并结合动态力学行为表征试验,分析接头组织对性能的强化机制。所得主要研究结果如下:焊缝宏观组织为尺寸粗大的柱状晶(晶粒可达毫米级),部分取向较优的柱状晶能跨越多层焊缝生长。焊缝和热影响区都是典型的α+β双相结构但形貌不同。各层焊缝在冷却过程中高温β相会发生混合相变,即组织组成包括通过无扩散马氏体相变形成的网篮状的板条马氏体以及稳态扩散相变形成的α相,后续冷却过程中马氏体还会均匀析出弥散分布的颗粒状α相。热影响区的马氏体以针状形态为主且部分原始α组织由于在热循环过程中未发生相变而被保留。从母材往焊缝方向,Al元素含量基本无变化,而V元素含量逐渐降低;由于发生元素迁移,各层焊缝中Al元素的含量均远高于填充金属的名义成分。大厚板接头内元素的分布规律是造成各区域特征显微组织形态的重要原因。通过对经历不同焊接热循环条件得到的焊缝层的晶粒取向的研究发现,在GTAW热作用下,各层焊缝中都会形成强烈的焊接织构,而经历填充层热循环特征的焊缝(Thermal cycle of filled layer,TCFL)与盖面层热循环特征的焊缝(Thermal cycle of cover layer,TCCL)的织构比打底层热循环特征的焊缝(Thermal cycle of back layer,TCBL)更加强烈。根据柱面滑移系的焊缝晶粒的施密特因子分布可得,母材的塑性变形能力最佳,而焊缝由于存在强烈且种类复杂的织构,织构的强化作用会阻碍焊缝在受外应力时的变形从而提高强度,但会降低塑性。此外,TCFL和TCCL焊缝中,小角度晶界比例显著减小,大角度晶界增加,大角度晶界可以有效阻碍位错的运动来提高焊缝强度,但也降低了焊缝的塑性。本文还对焊接接头的各项力学性能进行了试验分析。但在拉伸试验中发现,各层焊缝的抗拉强度均远高于焊丝的名义强度,几乎达到与母材等强匹配。因此,本文设计了动态的原位拉伸试验,以表征分析焊缝显微组织对接头性能的强化机制。试验及分析结果如下:母材在拉伸过程中,不同区域的α、β晶粒能均匀的发生形变,裂纹沿滑移线萌生后沿较软的β相扩展,因而强度和塑性都较好;对于TCBL焊缝区,较硬的板条马氏体尺寸较小且分布分散,裂纹在较软的稳态α相中萌生后可连续沿α相扩展至失效而不受到马氏体的阻碍,因而焊缝强度和延展性都较好;而在TCFL焊缝区,由于较强的织构强化、晶界强化作用,焊缝晶粒不易变形,且少量微裂纹萌生后会受到网篮状马氏体的阻碍而无法扩展,直至大量微裂纹合并后瞬时失稳断裂,这种机制虽然能提高焊缝强度,但是却降低了塑性,增加了脆性倾向。本文作为对大厚板钛合金窄间隙焊接接头的显微组织与性能的基础性研究,能对大厚板钛合金连接的接头匹配设计和工艺优化设计起到重要的指导作用,有利于提高接头质量,对海洋开发装备的发展有重要意义。