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碳钢是世界上用量最大的金属材料,熔焊是钢结构最重要的连接方法之一,其应用遍及国民经济建设的各个领域。熔焊是一个极不均匀加热和冷却的过程,热输入产生的焊接热循环引起焊接热影响区内奥氏体晶粒长大和固态相变,严重影响焊接接头力学性能,甚至导致焊接失效。研究焊接热影响区固态相变和晶粒长大过程规律,可为优化材料组织、提高接头性能、指导焊接工艺制定提供依据,具有重要的理论意义和工程价值。本文以典型碳钢Q235B、Q345E、45号钢为试验材料,相继进行熔化极活性气体保护焊平板对接试验、金相试验和定量分析试验对三种钢材焊接热影响区各类组织的体积分数及Q345E钢粗晶区内不同位置的晶粒尺寸进行测定。结合实际焊接工艺,选用J.Goldak双椭球功率密度分布体热源模型,综合传热理论,建立MAG焊接温度场模型,依据Kirkaldy和Koistinen-Marburger相变动力学方程建立焊接热影响区相变模型,并将二者进行耦合,利用FORTRAN语言分别编写热源(DFLUX)和相变(UMATHT)子程序,运用ABAQUS三维有限元分析软件,建立适当的有限元模型,实现Q235B、Q345E和45号钢三种钢材MAG焊接温度场及热影响区固态相变过程的计算机模拟。模拟结果显示:焊接熔池模拟形貌与实际形貌基本符合,其熔宽和熔深分别为7.2mm和4.5mm;焊接热影响区各类组织体积分数的模拟结果与实测结果基本吻合,偏离度均在±10%以内,验证了HAZ相变模型可靠度。运用N.E.Hannerz解析公式计算焊接热循环,基于试验数据模型实现蒙特卡洛时间步与真实时间—温度关系之间的转化,结合蒙特卡洛法和晶粒长大动力学理论,建立二维蒙特卡洛晶粒长大模型,运用MATALAB软件编写晶粒长大程序,实现Q345E钢粗晶区晶粒长大过程的动态计算机模拟。模拟结果显示:Q345E钢粗晶区内不同位置,晶粒长大程度不同;距熔合线越近,晶粒尺寸越大。Q345E钢粗晶区内距熔合线100、200、300、400和500um五个位置,最终晶粒尺寸模拟结果与实测结果相符,偏离度均在±10%以内,验证了CGHAZ晶粒长大模型可靠度。