TC4钛合金具有比强高,综合力学性能好等优点,被广泛应用在航空航天及石油化工等领域,但由于其熔点高、导热率低,焊缝金属在高温下停留时间长,使得焊缝晶粒粗大,从而降低焊接接头力学性能。文中在TC4钛合金CMT+P焊接过程中,通过采用超声振动与旋转搅拌熔池辅助焊接方式,细化焊缝晶粒,从而改善焊接接头力学性能,为TC4钛合金焊缝晶粒细化研究提供新的方法及理论依据。首先,通过调节钨针偏移量,确定了超声振动熔池焊接试验参数选择范围,保证焊接过程稳定;其次,对在不同钨针偏移量条件下获得的焊接接头焊缝区进行了晶粒尺寸、微观组织及力学性能的测试与分析,研究了超声振动熔池晶粒细化效果及其对焊缝组织性能的影响规律。之后,进行了旋转搅拌熔池堆焊试验,对堆焊焊缝熔深、焊缝宽度及晶粒尺寸进行统计,分析了旋转搅拌熔池焊接方法特点,研究了钨针旋转速度对焊缝熔深、焊缝宽度及晶粒尺寸的影响规律;最后,进行了旋转搅拌熔池对接试验,通过搅拌转换头偏心设计,调整搅拌半径,分析研究不同旋转搅拌参数对焊缝区微观组织及力学性能的影响规律。研究结果表明,当钨针从焊缝正面插入熔池时,钨针偏移量过小会导致钨针烧损,钨针偏移量过大会产生金属粘附,文中试验条件下钨针偏移量选择范围为2.5mm～3.5mm。焊接接头焊缝区为粗大的柱状晶,超声振动熔池能够抑制焊缝柱状晶生长;当钨针偏移量为3.5mm时,晶粒细化效果更明显。焊缝区显微组织主要为由α相、α’相及β相组成的网篮组织;超声振动熔池使得焊缝区针状马氏体增多,形成魏氏组织,并影响次生相晶粒生长方向。超声振动熔池使得焊缝金属显微硬度升高,焊接接头拉伸性能得到改善;焊接接头断裂位置均在焊缝区,其断裂模式为脆性断裂与韧性断裂的混合断裂模式。旋转搅拌熔池能够增大堆焊焊缝熔深及焊缝宽度,随着旋转速度的增大,焊缝宽度逐渐增加,焊缝熔深没有明显变化趋势;旋转搅拌熔池还可以细化焊缝晶粒,在750r·min-1～2000r·min-1范围内,晶粒尺寸随旋转速度的增加有逐渐减小的趋势。旋转搅拌熔池能够增加焊缝针状马氏体组织,使得焊缝金属显微硬度升高;旋转搅拌熔池能够抑制焊缝柱状晶生长,改善焊接接头拉伸性能,其中采用偏心搅拌转换头时,焊缝晶粒细化效果更明显,焊接接头拉伸性能更好。