焊缝微观组织对焊接接头的性能有着重要影响,而焊接熔池凝固过程能够直接对焊缝微观组织产生影响。通过外加物理场的方法可以直接影响焊接熔池的凝固过程,对焊缝微观组织产生影响。但由于焊接过程的复杂性,很难通过实验的方法对焊接熔池凝固过程进行细致的研究。得益于计算机技术的快速发展,应用数值模拟方法模拟研究焊接过程已成为一种趋势。因此本文采用数值模拟的方法对急冷条件下的焊接熔池凝固过程进行研究。本论文基于格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)的基本原理,建立了模拟焊接熔池演化过程的LBM模型,并且将其与模拟焊缝组织形核、生长的元胞自动机(CA)方法进行有效耦合,构建了CA-LBM模型。首先,通过验算经典算例和实际焊接试验的方法,验证了建立的二维数值分析模型的准确性。然后,采用CA-LBM耦合模型模拟了不同急冷参数条件下焊接熔池的凝固过程。最后,分析了不同急冷条件对于焊接熔池凝固过程的影响。研究结果表明:首先,急冷条件对焊接熔池凝固过程的影响机理是:冷源的局部冷却散热引起了焊接熔池内温度梯度和浓度梯度的增大,而表面张力梯度又与温度梯度与浓度梯度呈正相关,故由表面张力梯度引起的Marangoni对流更加剧烈,Marangoni对流对熔池内产生的搅拌作用更加强烈。这种对熔池强烈的搅拌作用降低了焊缝组织内浓度场的不均匀程度,同时又由于焊接熔池过冷度增大引起形核率上升,最终在综合作用下,使焊缝凝固组织得到了细化。然后,急冷条件对焊接熔池凝固过程的影响强弱与急冷功率的大小呈正相关,在急冷功率一定的情况下,缩小冷源作用面积,可以提高其对焊接熔池凝固过程的影响。其作用机理是增大了单位面积上的急冷功率,增大了焊接熔池中的温度梯度与浓度梯度,进而增大了熔池表面张力梯度,使Marangoni对流效应更加明显。最后,冷源在具有相同的急冷工艺参数时,其作用位置也会对急冷效果产生影响,在本文的模拟计算结果中,冷源作用在母材背面的两种情况具有基本相同的急冷效果,它们对焊接熔池凝固过程的影响基本相同;冷源作用于母材正面即与热源位于同一侧时,其急冷效果并不明显,对焊接熔池的凝固过程影响很小。