在机械制造、航空航天、石油化工等工业领域,钛合金正在得到越来越广泛的应用,这源于钛合金比强度、比模量高、耐蚀性好等优点。但是,如果将钛合金用于焊接结构的制造,由于其熔点较高而导热性较差且可能产生高温氧化,因此极易因焊接工艺参数选择不当,导致接头的塑性和韧性不良,甚至会出现焊接裂纹。目前,许多研究者多采用试验方法对钛合金的焊接工艺、焊接材料、接头的组织演化及性能进行研究,但存在耗时长、成本高等缺点。近年来,计算机数值模拟技术发展日新月异,这无疑为钛合金焊接接头的组织性能研究提供了一个强有力的辅助手段。本文基于非线性热-力耦合分析理论,考虑了对流和辐射边界条件,并设置了加热和冷却分析步,借助ABAQUS有限元分析软件建立了钛合金焊接温度场的三维模型。其中,网格划分采用非均匀网格,焊接热源采用双椭球体热源。基于上述模型对钛铝合金平板TIG(tungsten inert gas welding)焊接接头的宏观温度场进行了计算,并对计算结果进行了试验校核。结果表明:增大焊接电流,伴随热源的移动,达到准稳态时熔池形貌基本不变,呈鹅卵形,但焊缝横截面逐渐变宽;同时,沿着焊缝方向和垂直于焊缝方向的焊接热循环曲线,随着焊接电流的增大呈瞬间快速上升而后缓慢下降的趋势,这与实际焊接过程规律相符合;对比焊缝横截面几何形状,发现模拟结果与试验结果相吻合。以上述焊接温度场的计算结论和凝固过程的溶质扩散理论为基础,采用元胞自动机法与有限元法相结合的CA-FE(cellular automaton-finite element)技术,通过插值法获得所选区域的微观温度场,建立了枝晶生长的数学物理模型。基于该模型对均匀温度场下TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-45%Al合金熔池边缘及熔池中心的枝晶生长过程进行了模拟。结果表明:铝含量由6%增加到45%时,过冷度越大、界面能各向异性越强且择优取向角越大时,等轴晶的生长速率越快,一次、二次枝晶臂越发达且形状越复杂;此外,当初始形核数越多、温度梯度越大且施加扰动越强时,柱状枝晶间的竞争生长更激烈,枝晶间距将变得更小,同时溶质偏析程度越严重。为了更准确地反映熔池结晶过程,构建了非均匀温度场下晶粒演变的宏微观耦合模型,模拟了两种钛铝合金非均匀温度场熔池内枝晶的竞争生长过程和溶质浓度的分布,并设计了验证性试验。结果表明:铝含量由6%增加到45%时,柱状晶向等轴晶转变的速率增大,形核晶粒数增多且晶粒更加细小,同时溶质浓度也相应升高;更大的形核率和导热系数将有利于形成更多细小的等轴晶。焊后熔池内的微观组织形貌主要呈柱状和等轴状,这与模拟结果基本一致;伴随着焊缝中铝含量的增加,相的数量相应增多进而导致焊缝硬度值升高。综上所述,采用数值模拟的方法能够实现焊接熔池凝固过程微观组织演变的可视化,可直观地表征温度及成分变化与组织之间的依存关系规律,并为钛铝合金的焊接工艺选择及参数优化提供指导,从而达到降低成本、减轻结构重量和获得优良焊接接头以及提高焊接效率的最终目的。