作为一种综合性能优异的钛合金,TC4(Ti-6Al-4V)合金普遍应用于制造业的各个领域,在钛合金的众多连接方法中,TIG焊因经济性及适用性上的优势,目前已占据主导地位,因此提高TIG焊的焊接质量就具有很强的现实意义。焊接质量的提高关键是控制焊缝微观组织的构成,虽然研究人员基于大量实验能在一定程度上认知焊缝微观组织的演变规律,但相关的实验研究要付出高昂的成本,在这一背景下,急需一种高效且成本可控的研究手段。融合近年来计算机技术在材料科学领域的成功应用,可为焊接质量的控制提供新思路,使可视化分析焊缝微观组织演变过程并为工艺参数的调整提供准确指导成为可能。因此,焊缝微观组织演变的数值分析已成为研究重点。基于凝固相关理论,采用CA(元胞自动机)法,建立多元合金凝固模型,并在模型稳定性得到验证的基础上,分析了恒定过冷度及一定温度梯度下晶粒的生长规律。研究的结果表明,溶质富集使成分过冷加重,进而促进枝晶分支的产生,但晶粒产生分支的趋势随晶粒数减少而上升。与此同时,利用FE(有限元)计算模型分析了瞬态变化的焊接热过程,所设计的焊接热循环实验结果与数值模拟结果一致性良好。从数值分析来看,所计算的温度场符合焊接过程局部热量集中及高度动态变化的特点,熔池尺寸与焊接电流正相关,与焊接速度负相关。以所建CA模型与FE模型为理论支撑,通过双线性插值法,在结合JMATPRO确立的冷却速率-温度-相变关系的基础上,建立二维CA-FE计算模型以实现焊缝微观组织演变过程的可视化,并通过实验证明了模型的可靠性。研究的结果表明,微观温度场符合实际温度场的分布规律,可作为微观组织演变计算的温度载荷条件。就微观组织演变过程而言,计算域的温度达到熔点后熔池出现并在热源作用下迅速扩大,进入冷却阶段后,熔池边缘率先达到晶粒形核条件并发展为粗大的柱状晶,最后在极大冷却速率作用下,短时间内初生β相完全转变为α’氏体相,且焊接电流的增加促使熔池及晶粒尺寸增大,焊接速度的影响效果则相反,但受高冷速影响,固态相变完成后微观组织全为α’马氏体相。为进一步提高计算结果的可视化水平,探索性的建立了三维CA-FE模型,该模型能完整再现焊接瞬态温度场的变化及其作用下的微观组织演变过程,并能一定程度反映焊接工艺参数对演变过程的影响。虽然三维模型在计算精度及计算效率上都明显处于劣势,但其符合模拟结果直观化的趋势,为后续研究的方向。