随着我国大型专用装备的国产化战略的实施,电子束焊接已成为航空、航天、航海、兵器等领域大型钛合金构件轻量化、整体化制造的关键技术之一,特别是航空大厚度钛合金结构。随着航空零件结构、性能的飞速发展,大厚度钛合金电子束焊接面临着如下难点：焊接厚度不断扩展、尺寸越趋大型化、结构越趋复杂化,质量、性能要求也越来越高。然而,对于大厚度钛合金电子束焊接焊缝形貌、组织性能及力学性能国内外尚缺乏系统深入研究,对其工艺、焊缝形状特征、焊缝微观组织与接头力学行为之间的相关性机理缺乏认识,从而影响了大厚度钛合金航空结构焊接技术的推广应用。因此,本文针对50mm厚TC4-DT钛合金,深入开展了电子束焊接工艺、焊缝形状、焊缝组织及力学性能相关性研究,分析了大厚度钛合金焊接接头力学行为,探索了力学性能调控方法。首先,采用连续变聚焦焊接试验方法,优化了电子束焊接聚焦电流、速度等参数。设计了连续变换高度位置的测试方法,获得了大厚度钛合金焊接束流品质特征。基于焊接热循环测试和理论分析,建立了数值计算方程和模型,实现了电子束焊接热过程模拟,揭示了大厚度钛合金电子束深熔“匙孔”焊接机理。针对深熔焊接焊缝根部缺陷问题,设计了分解探伤检测方法,分析了焊缝根部工艺气孔缺陷特征；采用带放气槽的垫条结构,提出了引／收束流控制方法,解决了工艺气孔问题。其次,采取偏摆扫描焊接工艺方法,优化了扫描参数,改善了焊缝成形。通过电子束焊接焊缝形貌分析,提出了典型的T形和I形焊缝形状特征,研究了焊接工艺参数对焊缝形状尺寸的影响规律,建立了焊缝形状分类准则,优化了T形和I形焊缝焊接工艺。基于束流特性及焊缝形状分析,提出了焊接形状特征参量焊缝深宽比H/B及相关的工艺参量n1、n2,分析建立了n1、n2与H/B的相关性数学模型。第三,深入研究了T形和I形焊缝晶粒尺寸、组织形态。与T形焊缝相比,沿熔深方向I形焊缝柱状晶尺寸更均匀。随着焊接熔深位置的增加(沿熔深从上到下),焊缝马氏体组织逐渐细化,其宽长比MBL逐渐减小：I形焊缝组织比T形焊缝更均匀,其马氏体组织宽长比MBBL变化更平缓。基于焊缝组织分析,提出将马氏体组织宽长比MBL作为表征大厚度钛合金电子束焊接组织特征的参量。第四,测试分析了T形和I形焊缝／接头显微硬度、拉伸性能及冲击性能,研究了焊接工艺、焊缝深宽比H/B、马氏体组织宽长比MSL对焊缝／接头力学性能的影响。沿熔深方向,焊缝由上至下显微硬度逐渐增加,I形焊缝的显微硬度分布比T形焊缝更均匀。焊缝金属沿熔深方向拉伸性能也存在差异,I形焊缝的拉伸性能更均匀。随着焊缝马氏体组织宽长比MBL的增加,焊缝的拉伸强度逐渐降低,熔深方向的强度差异也逐渐变小。随着焊缝深宽比H/B的增加,I形焊缝的拉伸强度存在降低的趋势,与T形焊缝的变化趋势相反。与T形焊缝相比,I形焊缝的冲击韧性值较高,且沿熔深方向存在不均匀性；随着焊缝深宽比、马氏体组织宽长比的增加,T形和I形焊缝冲击韧性均先增加、后减小。根据强度匹配理论分析,提出了钛合金电子束焊接力学性能因子[Ue,SDM),建立了焊缝形状参量H/B、组织参量MBL与力学性能因子[Ue,SDM]的相关性数学模型,表征了大厚度钛合金电子束焊接接头力学行为。第五,研究了偏摆扫描电子束焊接、“嵌料”电子束焊接及多重电子束焊接等调控方法对接头力学性能的影响。采用偏摆扫描焊接+焊后热处理方法提高了I形焊缝的深宽比H／B,降低了焊缝马氏体组织宽长比MBL参量,修正了焊接力学性能因子[Ue,SDM]相关性模型；焊缝断裂韧性、接头疲劳强度分别达到了基材的80%和90%,改善了焊缝/接头断裂韧性、疲劳等性能。“嵌料”焊接方法降低了焊缝的深宽比H/B,提高了焊缝马氏体组织宽长比MBL,提高了焊缝延伸率,降低了焊接力学性能因子,实现了焊缝强度／塑性匹配调控。多重焊接方法降低了焊缝H/B,提高了焊接强度,验证了性能因子相关性公式的合理性；虽然多重焊接焊缝冲击、断裂性能有所降低,但基本满足结构设计要求和局部缺陷修复质量需求。