焊接接头的微观组织直接影响着焊接构件的使用性能。在焊接过程中,凝固是焊缝组织形成的主要方式。对焊接熔池凝固过程机理的深入分析研究,有助于控制焊缝组织,实现有效预测焊接接头的使用性能;然而,焊接熔池体积小、温度分布极其不均匀、液态金属存在时间极短等特点使得试验的方法很难实时监测焊接熔池的凝固过程。近几十年,随着计算机技术及凝固理论的飞速发展,通过数值模拟的方法研究焊接熔池凝固过程逐渐成为焊接领域的热点问题之一。本文在现有的模拟研究基础上,结合元胞自动机和有限差分法,对低碳钢焊接过程中焊接熔池凝固过程中枝晶生长和演化过程进行了模拟研究。研究表明:模拟得到的枝晶生长过程中溶质浓度变化规律与凝固基本理论一致;初始过冷度越大,枝晶生长速率越大;二、三次枝晶臂数随着初始过冷度的增加不断增多,且其分枝形貌越来越复杂多样。柱状晶向等轴晶转变时,熔池内等轴晶生长释放的溶质使柱状树枝晶尖端溶质浓度急剧升高,从而阻碍了柱状晶的继续生长。冷却速率对熔池凝固过程中柱状树枝晶向等轴树枝晶转变的影响较大,冷却速率越大,柱状晶越易向等轴晶转变,且转变所需时间越短。采用宏/微观两种尺度,将宏观温度场与微观枝晶生长过程耦合在一起,再现了Fe-0.04%C二元合金焊接熔池的凝固过程。熔池凝固过程中,温度梯度沿散热边界向绝热边界方向不断减小,而等温线弧度不断增大;模拟区域的温度梯度随着边界扩散速率的升高而增加;随着形核基底数的增加,柱状晶数量基本不变,等轴晶数量急剧增多,分布范围逐渐扩大,但尺寸有所减小。此外,建立了改进的基于溶质浓度变化的相控制模型,改进后的模型融入了Fe-C二元相图的特点。利用改进后的模型对低碳钢(Fe-0.04%C)焊缝组织进行了模拟,并讨论分析了初始溶质浓度、冷却速率和形核基底数对焊缝组织的影响。