焊接熔池凝固组织演变过程中形成的晶粒尺寸和成分分布对焊缝的力学性能产生直接影响。然而熔池的凝固是一个高度非线性、各场耦合以及高温动态演变的过程,很难通过传统的实验方法对其进行观测,数值模拟成为研究熔池凝固的主要方法。目前焊接接头组织演变的数值模拟研究多集中于形态学或者单一过程的枝晶演变方面,基于的假设条件过多而获得的模拟结果失真,而关于动态条件下熔池凝固枝晶全过程生长定量的、机理性的研究未曾有过报道。所以本文基于定量计算机模拟技术相场(PF)法对熔池凝固过程中线性生长不稳定动力学、一次枝晶动态演变过程和二次枝晶动态生长动力学展开定量研究。首先对稳态条件下定向凝固的定量相场模型(Quantitative phase field Model)进行改进,将控制条件转变为与多个变量相关的函数,使改进的PF模型能够模拟各种非稳态条件下的枝晶生长,大大拓展了其应用范围。设置合理的初始条件,摒弃预设种子点的常规做法,枝晶从联生结晶开始生长,初始时刻过冷度为零,固液界面近似为平面,保证了熔池凝固的整体性和枝晶生长的连续性即历史相关性。此外,研究了熔池动态凝固边界条件,建立了温度梯度和推进速度的系列耦合方程组,其中包括了熔池形状参数、焊接工艺参数、凝固时间和熔池位置等相关参量,通过计算机求解并耦合到PF模型中。基于Warren-Longer理论,针对动态条件下线性不稳定的动力学过程建立了解析模型,通过该模型可以预测凝固线性生长阶段平面晶界面无限小扰动不稳定的历史演变过程,以及界面形态的运动规律。运用解析计算、PF模拟和实验三种方法研究了Al-Cu合金焊接熔池凝固过程中线性生长阶段的枝晶生长。结果表明,通过解析计算获得的界面失稳的临界时刻和临界波长与PF模拟结果和实验结果吻合良好。此外,研究了焊接工艺参数对熔池凝固线性生长结果如界面形状、界面失稳特征以及溶质场分布的影响规律。焊缝组织中的一次枝晶间距对接头性能有重要影响,因此本文集中研究了熔池中一次枝晶的动态演变规律及影响枝晶间距的因素。枝晶生长从非线性生长阶段开始时便进入竞争生长时期,少数竞争存活的胞晶发展为一次枝晶。通过改变焊接工艺参数探索了焊接功率和焊接速度对Al-Cu合金焊缝组织一次枝晶间距的影响。研究表明,一次枝晶间距与焊接功率和焊接速度分别成正相关和反相关的关系。分析了枝晶生长的历史相关性对一次枝晶间距影响的一般规律。一次枝晶间距不但与推进速度、温度梯度及其各自的动态变化过程等有关,而且与线性生长的结果如界面形态、失稳间距以及形成的溶质场分布等相关。二次枝晶的生长相对于一次枝晶来说尺度更小,产生频率更高,尤其是在焊接熔池中,所以二次枝晶生长研究对PF模型的要求更高。本文首先对PF模型研究二次枝晶生长规律的可行性进行验证,结果表明PF模型可以实现更小微观尺度的二次枝晶生长动力学计算。然后利用该模拟过程研究了Al-Cu合金焊接熔池近熔合线区域二次枝晶生长动力学。值得指出的是,在熔池凝固的动态条件下,某一瞬时产生的二次枝晶间距要大于利用该瞬时的生长条件作为稳态条件的定向凝固产生的二次枝晶间距,根据噪声放大理论,造成这种现象的根本原因是前者的尖端速率小于后者,使前者二次枝晶生长最初的扰动波群中波长大的被选择放大,造成二次枝晶的平均间距较大。通过本文所建立的焊接熔池凝固的相场模型实现了Al-Cu合金熔池全过程凝固过程中各种形态枝晶的动态生长机制的定量研究,丰富了焊接熔池凝固理论,为熔池凝固微观应力的演变、焊接缺陷的产生机理的研究以及对实际焊接工程指导奠定基础。