研究焊接微观组织的传统实验方法不但费时、耗资,而且不能预测微观尺度上如枝晶形貌,显微偏析等现象。随着计算机数值模拟技术的应用和发展,诸多研究者发展了确定性和随机性模型对凝固过程中微观组织演变和形成机制进行数值模拟。本文在焊接领域首次应用随机性数值模拟方法之一,元胞自动机(CA)法对焊缝微观组织形态和演变进行了模拟。本文将元胞自动机(CA)和有限差分法(FD)结合起来,建立了焊缝凝固时熔池内部等轴晶和柱状晶的随机形核和生长模型,元胞自动机模拟凝固组织,有限差分计算温度分布和溶质扩散。该模型考虑了快速冷却情况下枝晶生长时固液相和固液界面的温度分布、溶质分布、动力学过冷、枝晶尖端曲率、枝晶生长各向异性对于枝晶形核和生长的影响。在特定焊接条件下,焊缝中心为等轴晶区。应用元胞自动机模型模拟了等轴晶生长形态和溶质分布,并分析了合金成分、凝固速率的变化对等轴晶生长形态的影响。模拟结果表明,在等轴晶生长过程中二次枝晶和三次枝晶的充分发展,侧枝晶间的激烈竞争生长,合金成分和凝固速率的变化对等轴晶生长速率有着不同影响。熔合线附近一般都为柱状晶区,柱状晶区一次枝晶臂的大小将直接影响焊缝力学性能。本文引入了焊接过程中的温度循环曲线和温度梯度曲线,应用元胞自动机模型成功模拟了柱状晶区枝晶生长形态和溶质偏析,并分析了形核密度和凝固速率的变化对一次枝晶臂间距的影响。模拟结果显示,在柱状晶生长过程中,柱状晶间和枝晶内部偏析以及柱状晶间的竞争生长现象明显,随机种子数和凝固速率对一次枝晶臂间距有着不同的影响。模拟结果显示了真实焊缝微观组织演变过程的诸多特性。