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焊接残余应力是影响焊接成型及焊接部件服役的重要因素。为了优化焊接工艺和焊接接头微观结构，有效地减小焊接残余应力，本工作研究了焊前预处理工艺对电子束焊接钛合金厚板焊接接头组织、性能和残余应力的影响机制。对不同预处理工艺制备的钛合金焊接接头进行组织形貌表征，发现焊前预热显著增宽了焊接接头的熔合区和热影响区，粗化了两区域内的α片层，提高了焊接接头的强韧性匹配。采用中子衍射法、深孔法和轮廓法检测钛合金厚板电子束焊接头残余应力，对3种方法的检测结果进行对比分析，获得了焊接接头不同区域沿不同方向的残余应力分布。另外，对比了2种预热工艺焊接接头采用深孔法获得的残余应力结果，发现焊前预热可以显著降低焊接接头的残余应力。采用数值模拟计算了不同预热温度下温度场和应力场的变化情况，获得了不同预热温度条件下热应力的动态变化规律，揭示了预热降低残余应力的内在机理。对比2种预处理工艺焊接接头熔合区和热影响区的显微组织、元素分布和晶粒取向，进一步阐明了预热可以通过促进元素扩散和诱发变体选择降低β→α相变产生的应力集中。