焊缝微观组织对焊接接头力学性能产生重大影响,但是熔池凝固特点导致目前无有效实验手段实时观测熔池中微观组织演变,因此通过数值模拟方法再现微观组织的复杂动态变化,实现焊接接头力学性能研究具有重要意义。相场法作为一种先进的模拟技术,具有无需跟踪固液界面的突出优点,目前已经成为研究微观组织演化的热点。本课题基于自由能泛函法,考虑到焊接熔池冷却速度快、凝固时间短、过冷度大的特点,同时模型中耦合界面各向异性、结构起伏和能量起伏、固液相态热扩散差异等影响因素,构建适用于计算焊接熔池中等轴晶生长的相场数学模型,并利用该模型系统地模拟不同条件下焊接熔池内等轴晶形态演变。在忽略噪声扰动的条件下,研究了空间步长取值对枝晶尖端稳态生长速率和曲率半径的影响,并与微观可解理论(MSC)的解析解对比,确定出适宜的空间步长,为0.4倍的界面厚度参数。通过对不同过冷度、各向异性系数、温度场与相场耦合系数下等轴晶生长形貌的模拟,发现如下规律:晶粒形貌随过冷度增加,由肥厚紧实状向瘦长枝晶形态过渡,过冷度超过某一临界值时,晶粒形貌成为海藻状;同时,各向异性是产生枝晶形貌的主要原因;而温度场与相场耦合系数取值越大,枝晶形貌越早出现,固相率也越高。本文进一步研究界面均匀噪声和高斯热噪声两种不同扰动对枝晶形貌影响,发现与界面均匀噪声相比,高斯热噪声作用是诱发二次枝晶产生的主要原因,二次枝晶随振幅的增强而更加发达;同时高斯热噪声扰动下,枝晶主轴生长呈现出不对称现象;随着噪声振幅、过冷度、各向异性系数、耦合系数等数值的升高,二次枝晶生长越发达。在无噪声和高斯热噪扰动两类不同情况下,曲率半径稳态值都随过冷度、各向异性系数、温度场与相场耦合系数的增加而减小,而速率稳态值则反向变化,该模拟结果与微观可结理论(MSC)相符。另外,本文成功模拟了多晶粒间竞争生长时的复杂枝晶形貌;并以纯镍N6为实验材料,进行TIG平板焊接实验,模拟所得晶粒形貌与实验所得金相图一定程度上吻合,验证了本文所建模型及模拟方法的合理性和可行性。最后,本文初步设计了焊接熔池枝晶生长模拟软件系统。包括前处理、枝晶生长计算、后处理三部分。系统可成功实现纯金属焊接熔池中等轴晶生长过程模拟。为进一步建立相场法模拟焊缝微观组织演变模拟软件平台奠定前期基础。