双面焊在厚合金板制备中具备显著优势，但该工艺通常会造成组织不均匀。目前针对这种组织不均的形成机理，及其对塑性变形与力学性能的影响，仍缺乏系统性深入研究。本文以10 mm 厚 Ti–6Al–4V 钛合金双面钨极氩弧焊（TIG）焊接接头为研究对象，采用分层分析方法，阐明了热循环、组织不均匀性与力学性能三者之间的内在关联。该焊接接头由两道焊缝及熔合区构成，整体呈沙漏形貌。熔合区（FZ）与热影响区（HAZ）均呈现网篮组织特征，且不同区域内片层状 α 相的厚度存在差异。受片层状 α 相粗化影响，熔合区的维氏硬度与强度沿层向逐步下降；而塑性性能变化则主要取决于等轴 α 相的生成以及 <c+a> 位错的开动。经焊后热处理（PWHT）后，基体中同时形成等轴 α 相与网篮组织，最终实现接头力学性能均匀化。