与粗晶粒钛合金相比，细晶粒钛合金具有更优异的综合力学性能。但是，其焊接接头受不均匀加热和冷却的影响，热影响区晶粒严重粗化，组织转变过程复杂，转变生成的非平衡态组织引起接头性能变化，焊接接头不再具有母材的许多优异特性。能否解决细晶粒钛合金的焊接性问题，是该材料应用和推广的的关键。为深入了解细晶粒钛合金焊接热影响区晶粒长大规律及其对接头性能的影响，本文建立了TIG焊接热影响区三维Monte Carlo(MC)模拟晶粒长大模型；同时应用热模拟方法，对比研究了细晶粒钛合金和粗晶粒钛合金热影响区在焊接升温和降温过程中组织转变的特殊性。分析了晶粒尺寸、焊接热循环参数及微观组织对细晶粒钛合金焊接接头性能的影响。晶粒长大和组织转变过程的研究为细晶粒钛合金热影响区晶粒细化，以及通过改变焊接工艺参数，控制组织转变产物，优化接头性能提供了试验和理论依据。　　为获得MC模拟所需要的焊接热循环曲线，综合考虑熔池表面张力、电磁力、浮力等驱动力的作用，本文采用流体计算软件PHOENICS建立了TIG焊流场温度场模型。并在此基础上，应用MC方法建立了细晶粒Ti-6Al-4V合金焊接热影响区三维晶粒长大模型。采用基于试验数据的EDB模型建立了细晶粒和粗晶区Ti-6Al-4V合金Monte Carlo模拟时间步与真实时间、温度的关系，模拟了热影响区晶粒长大过程。模拟计算和实验测量均表明：在TIG焊接过程中，细晶粒Ti-6Al-4V合金较粗晶粒Ti-6Al-4V合金相变阻力更小，晶粒具有更大的长大动力，晶粒长大趋势更大；但是相同热输入条件下，更为细小的母相晶粒尺寸，以及较高的β相变点温度使得细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区实际晶粒尺寸要小于粗晶粒Ti-6Al-4V合金。　　根据Monte Carlo模拟结果，并结合热模拟试验分析发现，细晶粒Ti-6Al-4V合金和粗晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒在升温过程中已经严重粗化，采用高能量密度热源进行焊接不能完全抑制粗晶区晶粒长大趋势。相变点以上高温停留时间是细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒粗化的主要影响因素；与粗晶粒Ti-6Al-4V合金相比，焊接加热过程中的升温速度变化对细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒长大有显著影响，而冷却过程高温停留时间变化对粗晶区晶粒长大影响很小。提高温度梯度能够有效细化细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒尺寸，但是温度梯度从3℃增大至6℃，粗晶区晶粒尺寸变化较小。　　焊接持续加热过程的差热分析和热模拟试验结果显示，细晶粒Ti-6Al-4V合金（α+β）→β转变中，首先发生了转变β相→高温β相转变；温度升高，发生初始块状α相→高温β相转变。转变β相中的片层结构对升温过程中的相转变有阻碍作用，粗晶粒Ti-6Al-4V合金在部分相变温度区间晶粒长大缓慢；而组织均匀性较高的细晶粒Ti-6Al-4V合金相变阻力更小，晶粒能够快速长大，形成均匀的组织。相转变动力学计算结果显示，随着升温速度增大，在β相变点以上温度区间，需要更大的过热度以便提供发生α→β转变的驱动力。　　焊接冷却过程的热模拟研究表明：与粗晶粒Ti-6Al-4V合金相比，细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区组织对相变点以上高温停留时间和相变点以下冷却速度的变化更为敏感。高温停留时间不仅直接影响粗晶区晶粒尺寸变化，而且对粗晶区中的残余β相和晶界α相等软化相数量，板条马氏体尺寸和位错亚结构产生显著影响，进而影响相变强化效果。冷却速度的变化是细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区马氏体相变的一个决定性影响因素。当冷却速度在40～140℃/s范围内变化时，相变生成的板条位错α′马氏体具有较高的硬度，而马氏体板条束界有阻止裂纹扩展的作用，高密度位错的存在使得板条马氏体具有更好的强度和塑性。　　结合热影响区晶粒长大和组织转变过程的研究，针对不同热输入下焊接接头性能的分析表明：细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区中的片层状晶界α相和晶内板条位错马氏体具有较高的综合力学性能，热影响区不存在软化问题；相同热输入下，细晶粒Ti-6Al-4V合金焊接接头相比于粗晶粒Ti-6Al-4V合金具有更高的强度和塑性；粗晶区非平衡态组织转变是影响细晶粒Ti-6Al-4V合金TIG焊接头强度的主要因素；而热影响区晶粒粗化是引起细晶粒Ti-6Al-4V合金TIG焊接接头塑性降低的主要因素。采用中等热输入，升温速度大于320℃/s，相变点以上高温停留时间小于4.5s，相变点以下冷却速度在40～140℃/s范围内变化，粗晶区晶内细小的束状初生α′板条马氏体组织，以及高密度位错亚结构能够保证细晶粒Ti-6Al-4V合金TIG焊接头与母材等强匹配。采用高能束热源，小焊接规范施焊，升温速度提高至640℃/s以上，能够有效细化细晶粒Ti-6Al-4V合金粗晶区晶粒尺寸，在保证接头强度的前提下，焊接接头塑性提高到细晶粒Ti-6Al-4V合金母材55％以上。