焊接熔池的凝固行为直接影响焊缝凝固组织形态和接头力学性能。研究熔池的凝固过程有助于理解焊缝凝固组织的形成机理，为焊接工艺的优化提供理论依据。由于焊接过程的复杂性，直接观测焊缝凝固组织演变过程比较困难。许多学者采用数值模拟方法开展了相关研究，主要研究重点集中在熔池内枝晶形貌演变的微观过程。宏观焊缝凝固组织形态取决于熔池内不同取向枝晶的竞争生长结果，目前对不同取向枝晶竞争生长的研究则较少。本文利用宏微观耦合模型对熔池内的枝晶竞争生长进行了模拟，从微观尺度研究了焊缝凝固组织的形成过程，在此基础上对不同焊接工艺下完整焊缝凝固组织的形成机理进行了研究，主要研究内容和结论包括:　　(1)针对熔池凝固过程，开发了模拟焊缝凝固组织演变的三维传热传质及微观组织计算程序。通过宏观熔池模型模拟了不同对流模式下的熔池形貌并与相同对流模式下熔池形貌的试验结果进行了对比，结果吻合较好。利用微观组织模型模拟了不同凝固条件下枝晶尖端稳态生长速度和平衡溶质浓度，计算结果与LGK解析模型以及前人发表的相关结果吻合较好。对宏微观计算程序进行了界面友好和可视化开发，形成了一款易于操作的焊接熔池及焊缝凝固组织模拟软件。　　(2)利用自行开发的宏微观耦合模型系统研究了熔合线附近局部区域中的联生结晶及枝晶竞争生长行为，从微观尺度分析了焊缝凝固组织形成过程。结果表明，焊缝中柱状晶形貌取决于不同取向枝晶之间的竞争生长。取向有利的枝晶簇能够不断淘汰掉取向不利的枝晶簇并通过分枝逐渐占据更大空间，凝固后在焊缝中形成粗大的柱状晶。焊缝中柱状晶的平均尺寸会随着原始母材晶粒尺寸的增加而变大。随着焊接速度的增加，焊缝凝固枝晶组织变得更加细小。　　(3)采用三维熔池模型模拟了不同焊接工艺下熔池内的传热传质过程，详细分析了不同焊接工艺下熔池尾部边界上的凝固条件。熔池凝固条件与在焊缝巾所处的位置以及焊接工艺相关。随着靠近焊缝中心，熔池尾部的温度梯度逐渐降低而凝固速率不断增加，温度梯度与凝固速率的比值不断减小。随着焊接速度的增加，温度梯度在焊缝中心附近不断降低而在熔合线附近逐渐升高，熔池尾部边界上的凝固速率逐渐加大，温度梯度与凝固速率的比值随之降低。焊接速度越快、距离焊缝中心越近，越容易发生柱状晶向等轴晶转变。宏观焊接工艺通过改变熔池内的凝固条件影响焊缝凝固组织的形貌类型。　　(4)系统研究了合金以及纯金属熔池的凝固过程，揭示了轴晶以及弯曲柱状晶组织的形成及演变机理、丰富完善了相关焊接凝固理论。结果表明，焊缝中柱状晶组织形态并不完全取决于熔池尾部边界形状，即使在相同的焊接工工艺下也可能得到完全不同的焊缝凝固组织。合金焊缝中，凝固组织以枝晶的形态生长，由于界面曲率很大，各向异性的界面能可以通过曲率过冷显著影响凝固组织的生长过程。小焊速时，在焊缝中心形成连续的轴晶组织，轴晶组织的宽度会随着焊速的增加逐渐减小并最终完全消失。纯金属焊缝中，柱状晶以平界面向前生长，由于界面曲率很小，不同取向晶粒的生长过程主要受温度场条件控制。柱状晶在小焊速下弯曲生长以垂直于熔池尾部边界，在大焊速下沿直线向焊缝中心生长。　　(5)针对焊缝中柱状晶向等轴晶转变(CET)过程，从微观以及介观尺度系统研究了外延生长的柱状晶与熔池中新形核晶粒的竞争生长过程，阐明了CET微观机制以及焊接工艺对焊缝凝固组织的影响。在熔合线附近，新晶粒只能在柱状晶尖端的沟槽中或者凝固前沿附近形核，在与柱状晶的竞争中处于劣势。随着向焊缝中心靠近，形核数量逐渐增加并且形核位置更加远离凝固前沿，等轴晶有足够的空间长大并占据其下方柱状晶的生长路径。小焊速下，熔池尾部边界法线方向不断变化，凝固后的晶粒取向会随着向焊缝中心靠近而不断趋向于焊接方向。由于形核数量较少，晶粒沿最大温度梯度方向被拉长，焊缝凝固组织在宏观上不断向焊接方向弯曲。随着焊速的增加，熔池中形核数量逐渐增加并且新形核晶粒在竞相生长中逐渐占优，外延生长的柱状晶最终被完全阻挡，焊缝中心形成连续分布的等轴晶区。