焊接过程的高温、动态、瞬时性特点,使凝固后的熔池为非平衡凝固组织,其对焊接接头的力学性能有重要影响。要获得优质焊接接头,控制焊缝熔池的凝固过程至关重要。随着计算机的发展和凝固理论的不断完善,用数值计算法来求解焊缝熔池的凝固过程,有助于深入理解复杂的焊接物理过程,从而为优化焊接工艺、提高焊接接头质量提供理论依据。本文基于形核的物理机制和枝晶生长动力学理论,综合考虑界面能各向异性、界面扰动、溶质扩散、成分过冷、曲率过冷和熔池形状等因素,采用Moore型邻域的元胞自动机法,建立枝晶生长和溶质分布的模拟模型。对Fe-C合金焊缝熔池凝固过程中的单、多个等轴晶,“联生结晶”现象,以及柱状晶与等轴晶的竞争生长进行模拟分析,并讨论了过冷度、扰动振幅及冷却速率对枝晶生长的影响,定量研究了枝晶尖端生长速度和二次枝晶间距。结果表明:枝晶通过竞争生长,受热扩散、溶质扩散控制,形成具有复杂分枝结构的凝固组织。溶质主要富集在枝晶臂之间,随凝固时间的延长,富集程度加剧;枝晶生长的始终存在枝晶偏析,主要分布在二、三次枝晶中。过冷度同时影响着晶体形核、生长形貌及溶质浓度,过冷度越大,晶体形貌越复杂,最高溶质浓度越大;扰动控制着晶体分枝,增大扰动,晶体生长过程会出现胞状树枝晶、树枝晶形式,而对溶质富集基本无影响;冷却速率对枝晶生长速度和溶质浓度有影响,越大的冷却速率可以获得更快的枝晶生长速度,富集的溶质浓度越高。对枝晶尖端生长速度的研究能够确定本文所建模型的稳定性;模拟得出的二次枝晶间距曲线图能够确定焊缝凝固时的冷却速率范围。采用有限差分法,建立焊接温度场的模拟模型,并用两种网格尺寸的划分方式,将宏观温度场与微观枝晶生长模型耦合,模拟了 TIG焊接温度场,以及Fe-C合金耦合温度场后的微观组织演化过程。结果表明:焊缝熔池温度场是决定晶体形核和择优生长方向的关键因素,其分布规律呈阶梯状,从熔池中心到熔池边缘,温度梯度逐渐增大。耦合温度场后,柱状晶先于等轴晶形核,这与凝固理论相符,枝晶生长与溶质富集规律不变。