铝合金是工业生产中应用最广泛的轻合金材料,但在焊接加工过程中易出现气孔、夹杂和裂纹等缺陷。从微观层面研究熔池的凝固行为:探索焊接参数与组织演化之间的关系,可以为工艺优化提供理论依据,同时完善熔池的凝固理论。本课题以铝铜合金TIG焊熔池凝固过程为背景,构建了熔池内瞬态传热模型,采用相场法模拟了焊缝凝固组织的动态演化过程,并进行了熔池凝固枝晶生长机制的研究。首先,本文针对焊接熔池的凝固特点推导了宏观传热模型,根据凝固前期和后期的界面特点分别建立了界面不偏转和界面偏转两种模型,建立了适用于焊接的二元单晶相场模型和多晶相场模型,实现了宏观模型与相场模型的耦合;进行了相应的焊接试验和金相组织观察,对相场模型进行了验证。熔池凝固首先会发生平面晶失稳过程,本文研究了各向异性强度（γ₄）和晶体择优取向角（θ₀）对平界面失稳的影响。结果表明,界面各向异性对平界面失稳动力学的影响仅取决于-γ₄cos（4θ₀）项,孕育时间和初始波长与-γ₄cos（4θ₀）的大小正相关;同时界面各向异性不会直接影响溶质的扩散过程,而是通过影响固/液界面的稳定性来控制凝固演化过程;焊接参数通过改变温度梯度（G）和界面推进速度（R）来控制平界面失稳过程。平界面失稳后平面晶开始转变为胞状晶,本文研究了晶体择优取向角（θ₀）对组织形貌演化的影响。研究结果表明,联生结晶早期,一次枝晶生长角（θ_g）的大小与θ₀相近,随着凝固时间的推进,主枝晶轴向开始偏向温度梯度方向;联生结晶过程,一次枝晶间距（PDAS）随θ₀的增加而增加,同时θ₀的影响会随着凝固过程的推进而逐渐增大;随着凝固进一步推进,枝晶的生长方向受热驱动支配,主轴方向偏向熔合线法向,在此阶段,随着θ₀的增加,界面形态逐渐从枝晶、倾斜枝晶向海藻晶转变;多晶生长时,当两个晶粒的生长方向合拢时会阻止枝晶的向前推进,且由于界面处的扰动和晶粒之间的界面相互作用使得侧枝晶的难以形成;而当两个晶粒的生长方向发散时,侧枝晶出现且其生长速度较亚晶内部更快。到熔池凝固后期,界面法向会随着熔池的移动而发生偏转,本文研究了固/液界面偏转后凝固组织形貌的演化规律。结果表明,平界面失稳过程从熔池尾部开始由平面晶转变为胞状晶,对应的溶质分布也出现非周期性变化,而是熔池尾部向熔池底部渐近变化,先凝固的区域溶质偏析程度越严重;平直界面模型在失稳时刻具有更大的过冷度峰值和尖端推进速率峰值;联生结晶过程偏转界面模型PDAS更大,θ_g更小;到熔池凝固后期,偏转界面模型能更好地体现主枝晶轴线方向的弯曲情况。最后,本文模拟了完整焊缝中不同取向多晶组织的凝固过程,研究了母材晶粒的晶体学特性参数和焊接工艺参数对组织形貌演化的影响。研究结果表明,焊缝中柱状晶的形成以及形貌演变过程取决于熔合线上的联生结晶以及之后不同取向枝晶的竞争生长过程,熔池中的凝固条件通过控制凝固参数G、R与晶体学参数θ₀的关系来改变凝固组织的演化过程;母材晶粒各向异性强度不会决定对柱状晶的竞争生长结果,晶粒是否能存活主要取决于择优取向与温度梯度夹角的大小,各向异性强度大小只会影响竞争效应的程度;当焊速较低时,柱状晶生长方向是弯曲的,同时在焊缝中心附近产生沿焊接方向生长的轴晶组织;随着焊接速度的提高,轴晶组织逐渐消失,焊缝内柱状晶轴线由弯曲变得平直;由于形核数的增加,凝固后晶粒数量也随焊接速度的提升而增加,同时焊缝中枝晶组织会随着焊接速度的增加而变得更加细小,与母材晶粒尺寸无关;焊缝中柱状晶的平均尺寸随母材晶粒尺寸的增大而增大;而晶粒内部具体的枝晶形貌特征取决于焊接工艺。本文结合理论分析和相场模型的计算结果,得到了凝固过程界面尖端特征参数随时间变化的定量信息,进行了焊接凝固过程中枝晶生长及其演化机制的研究,为后续的研究奠定了基础。