钛及钛合金的密度仅为4.5g/cm~3,因其强度硬度性能、断裂性能、耐腐蚀性表现优异,钛和钛合金材料被广泛的应用于包括先进飞行器与载人深潜器在内的各个装备制造领域。TC4钛合金,即Ti-6Al-4V钛合金,兼具优异的综合力学性能表现与可加工性。因此,该牌号钛合金的用量占全部钛及钛合金材料的80%以上。TC4钛合金的相组成复杂,室温下组织形貌多样。α相与β相的晶粒尺寸、组织形貌及相分布影响钛合金材料的力学性能表现。因此,需要考虑加工方法对钛合金构件使役性能表现的影响。激光焊接作为一种应用广泛的先进焊接方法,操作简单过程迅速。激光的热源特性导致了焊后接头的热影响区尺寸较为狭窄。母材基体的快速熔化凝固过程不仅会造成组织形貌及相分布存在着不连续性,更会引入复杂残余应力场。而在焊后接头内部存在的复杂残余应力场,会影响钛合金构件在多场载荷状态下的使役性能表现。因此,对激光焊接TC4钛合金薄板接头的微观组织与应力分布进行研究,有着重要的意义。本论文利用了同步辐射光源大科学装置的高能X射线衍射技术,辅以OM、EBSD等表征手段,研究了不同焊接工艺2 mm厚度TC4钛合金薄板接头内部的微观组织及应力分布。在研究了微观组织与织构演化的基础上,选取了三种具有典型熔池形貌的工艺参数样品,研究了不同熔池类型样品在焊接横截面上的残余应力分布规律。现主要结论如下。研究结果表明,焊缝接头内部的组织形貌及相分布与使用的焊接工艺参数相关联。线能量低于30 J/mm的对流型熔池样品,熔合区可见贝氏体。线能量介于30～50 J/mm之间的中间型熔池样品,熔合区可见贝氏体与少量的马氏体。线能量高于50 J/mm的传导型熔池样品,熔合区可见马氏体、贝氏体与魏氏体。通过利用特征晶面（1012）α的点阵应变曲线,绘制出2.5kW、3m/min,2.5kW、5m/min与2.5kW、7m/min样品焊接横截面的残余应力分布等值线图。上述三个工艺参数分别对应着传导型、中间型与对流型熔池样品。研究结果表明,在TD与LD方向上,传导型熔池样品的残余压应力场梯度变化较为平缓,极值约为220 MPa。对流型熔池样品的残余压应力场存在着明显的梯度变化,极值约为330 MPa。中间型熔池样品的残余压应力极值约为270 MPa,梯度变化同样较为明显。LD方向上,上述三个样品的残余应力场尺寸与焊缝受热影响的区域相对应。TD方向上,残余应力的分布受限于焊缝尺寸,表现为与焊接横截面内熔合区尺寸相对应的梯度变化。力学实验表明,马氏体与贝氏体的生成会增强焊缝的力学性能表现。熔合区内主要为马氏体与贝氏体的对流型与中间型熔池样品,其焊缝的显微硬度相对于母材增加了约80HV,达到440～460 HV范围。拉伸应力-应变曲线表明,焊缝的Rm与ReL优于母材,但只有熔池尺寸变化较为均匀的样品达到了与母材相仿的断后延伸率。2kW、3m/mi,3kW、3m/min,3kW、5m/min 与母材的断后延伸率在 10～11%范围内。。结合EBSD与同步辐射实验,通过分析选区晶粒理想织构组分与衍射峰相对强度等手段,研究了呈现为对流型熔池的2.5 kW、7m/min样品中相变产物、熔合线与热影响界面处的晶体取向信息。研究结果表明,焊接接头内部存在着织构的演化过程,激光焊接区域的各晶面点阵应变表现为各向异性。母材为{1120}<1010>板织构,在焊接热影响区中,部分呈{1120}<1010>取向的晶粒转向为{1120}<0001>再结晶织构。平行于c轴的柱面为拉应变,平行于a轴的基面为压应变,有a轴和c轴分量的锥面为压应变。在熔合区中,无明显织构取向,各晶面的点阵应变高于热影响区。