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气焊时，在高温火焰的作用下母材局部熔化，并与熔化的焊丝金属混合而形成熔池，随着热源的推移，温度的降低，熔池金属开始凝固而形成焊缝。由焊接熔池形成焊缝的结晶过程可以具体分为焊接熔池的一次结晶过程和焊缝金属的二次结晶过程。
一、焊接熔池的一次结晶过程
焊接熔池从液态向固态的转变过程，称为焊接熔池的一次结晶。焊接熔池的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成的。
由于整个熔池温度分布是不均匀的，在熔池前端的中心处温度最高，而在熔池的边缘处因散热条件好，温度最低，并有母材局部熔化的晶粒，构成了熔池的液体金属结晶的晶核，所以焊接熔池的一次结晶是从熔池边界处的熔合线处开始的。母材与熔池金属之间发生的这种“晶内交互结晶”的过程称为联生结晶，是熔化焊缝金属凝固的重要特征。
晶粒长大通常情况下是沿着与散热方向相反的方向以柱状形态向焊接熔池中心生长的，即由熔池边缘指向熔池中心温度最高处，直至这种柱状晶粒长大、相互接触，液体金属全部凝固时，结晶过程才结束。但在气焊时，因加热时间长，热影响区宽，冷却速度慢，散热方向不明显，则往往会形成等轴晶粒。
二、焊缝的偏析与夹杂
在焊接熔池的一次结晶过程中，由于冷却速度很快，焊缝金属中的合金元素来不及扩散一致，因此焊缝中化学成分的分布是不均匀的，这种现象称为偏析。此外，一些金属夹杂物，来不及浮出而残存在焊缝的内部，称为夹杂。偏析和夹杂对焊缝质量有很大影响，不仅使焊缝金属的化学成分不均匀、性能改变，而且也是产生裂纹、夹渣、气孔的主要原因之一。
根据气焊过程的特点，焊缝中的偏析主要有显微偏析、区域偏析、层状偏析和弧坑偏析：
(一)显微偏析 熔池结晶时，最先结晶的部分，金属最纯，而最后结晶的部分，即晶粒的外端和前部，合金元素和杂质含量最高。因此在一个晶粒内部和各晶粒之间的化学成分都是不均匀的，这种现象称显微偏析，也叫做“晶间偏析”。
粗大的品粒比细小晶粒的偏析严重而集中，由于金属的化学成分决定金属结晶区间的大小，金属的化学成分是影响显微偏析的最主要因素。硫、磷等杂质元素的偏析比其它合金元素偏析严重，碳能够增加硫的偏析；锰、镍：铬等合金元素容易产生偏析，而硅则不易形成偏析。对于低碳钢焊接，其显微偏析现象并不严重；而在焊接高碳钢、合金钢时，显微偏析现象就很严重，常常会因此而产生热裂纹等缺陷。
(二)区域偏析 从整个焊缝的宏观截面来看，由于柱状晶粒的长大和推移会把低熔点的夹杂物赶到熔池的中心，因此，凝固后在焊缝的中心线附近将出现宏观的低熔点杂质的偏析，这种现象称为区域偏析，也叫做“宏观偏析”。当焊接速度较快时，成长的柱状晶粒最后都会在焊缝中心线附近出现区域偏析，在焊接应力的作用下，容易产生焊缝的纵向裂纹。
此外，熔池的断面形状对区域偏析的分布有很大影响。窄而深的熔池，各柱状晶交界在焊缝中心的表面上，因而聚集了较多的杂质，在焊缝中心面形成了一个脆弱面，在该处容易形成热裂纹，详见图2—3(a)；宽而浅的熔池，杂质便聚集在焊缝的上部，它具有较高的抗热裂纹的能力，详见图2—3(b)。
(三)层状偏析 在焊缝的断面上，分层出现的化学成分不均匀的现象称为层状偏析。熔池在结晶过程中要放出结晶潜热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就会出现暂时的停顿，随着熔池的散热，结晶又开始进行。这样，在结晶的过程中就会产生周期性的变化，即晶粒的成长速度出现周期性的加快或减慢。当晶粒快速长大时，在结晶前沿的液体金属中杂质含量就较少；而慢速长大时，在结晶前沿的液体金属中杂质含量就多。这样，就形成了周期性的偏析现象，即层状偏析。
层状偏析常集中一些有害的元素，所以，焊接缺陷往往会出现在层状偏析中。图2—4所示为层状偏析引起的气孔的分布。
(四)弧坑偏析 在焊接时，由于熔池中连续存在的杂质聚集在焊缝的中心。当熄火时，因熔池中的搅拌不够强烈，而熔池周围和熔池前沿都已冷却，这样，较多的低熔点杂质向弧坑中心区域聚集，这种现象称为弧坑偏析。弧坑偏析处常易产生弧坑裂纹。
熔池在结晶过程中由于冷却速度较快，而使一些非金属夹杂物来不及浮出至熔池表面，而残留在焊缝内部。焊缝中的夹杂物，不仅增加低温脆性、降低焊缝金属的塑性，而且也增加了产生热裂纹的趋向。在焊接低碳钢时，焊缝中的杂物主要有两类，一类是氧化物，如二氧化硅、氧化锰等；另一类是硫化物，如硫化锰、硫化铁等。
焊接熔池的一次结晶完成后，焊缝金属的组织是柱状晶。晶粒对焊缝的力学性能有很大影响，一般说来，晶粒越细，焊缝的力学性能就越好。如图2—5所示为焊缝晶粒粗细对冲击韧性的影响，从图中看出，细晶粒组织能显著提高焊缝金属的冲击韧性。
三、改善焊接熔池一次结晶组织的方法
改善焊接熔池一次结晶组织的方法有以下两种：
(一)变质处理通过焊丝、熔剂向熔池中加入碳化物或氮化物形成元素，如钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、钼(Mo)、铝(Al)及氮(N)等，使之形成弥散细小的高熔点化合物质点，成为人工晶核。熔池中的液体金属借助这些人工晶核生长，从而得到细化的晶粒。
(二)控制焊接热量通过选择适当的火焰能率、焊接速度等工艺参数，以提高熔化边缘前方液体内的温度梯度，使之有利于形成细化的晶粒组织。
四、焊缝金属的二次结晶
焊接熔池的一次结晶结束后，焊接熔池就转变为固态的焊缝。高温的焊缝金属冷却至室温，要经过一系列的相变过程，这种固态的相变过程称为焊缝金属的二次结晶。
(一)冷却速度对焊缝金属的组织、性能的影响每种金属在不同的温度下，具有不同的晶格类型(原子有规则的排列方式)，这种固态金属晶格类型的转变称为“同素异构”转变，即相变。焊缝金属的冷却速度对二次结晶后的组织和性能有着重要的影响。一般说来，冷却速度越快，珠光体含量越高，铁素体含量越少，硬度和强度提高，塑性和韧性降低。表2—1为冷却速度对低碳钢焊缝的组织和硬度的影响。
如图2—6为冷却速度对低碳钢焊缝力学性能的影响。
(二)焊缝金属二次结晶的组织和性能 由于焊缝的化学成分、焊接工艺和选择的热处理种类不同，焊缝二次结晶的组织各不相同，其性能也各不相同。从强度来看，马氏体组织比其它组织要高；贝氏体组织介于马氏体组织和铁素体加珠光体之间；铁素体和奥氏体的强度则较低。从塑性和韧性来看，奥氏体组织比其它组织要好；铁素体加珠光体组织次之；粒状贝氏体组织强度较低，但具有较好的韧性；下贝氏体组织具有较高的强度并有良好的韧性；上贝氏体组织韧性最差；高碳马氏体组织硬而脆；低碳马氏体组织则既有相当的强度又有良好的塑性和韧性。从抗裂性来看，铁素体加珠光体组织和奥氏体组织较好；奥氏体加少量铁素体的双相组织比单相奥氏体组织要好；贝氏体、贝氏体加马氏体和马氏体组织对冷裂纹敏感性最大。
此外，组织越细、越均匀，性能就越好。低碳钢焊缝熔合区形成的粗大的魏氏体组织，其塑性和韧性都较差。
低碳钢焊缝一次结晶的晶粒都是奥氏体晶粒，冷却到低于相变温度时，奥氏体分解为铁素体和珠光体，因而二次结晶后的组织大部分是铁素体和少量的珠光体。但由于焊缝的冷却速度较大，所得的珠光体含量一般都较平衡组织中的含量大。
合金元素含量较少的低合金钢，其焊缝组织与低碳钢类似，当冷却速度加大时也会产生粒状贝氏体。如16Mn钢单面焊双面成形时，焊缝组织中就会出现少量粒状贝氏体组织。合金元素含量较多、淬透性较好的低合金高强度钢，其焊缝组织在二次结晶后为贝氏体或低碳马氏体组织，高温回火后为回火索氏体组织。
钼和铬钼耐热钢焊缝的组织，合金元素含量较少(铬<5％)的耐热钢，在焊前进行预热、焊后缓冷的焊接条件下，可得到珠光体和部分淬硬组织；高温回火后可得到完全的珠光体组织。对于含铬量为5％～9％的耐热钢，当采用与母材成分相近的焊丝和在焊前预热、焊后缓冷的焊接条件下，可得到贝氏体组织，也可能出现马氏体组织；高温回火后可得到回火索氏体组织。
不锈钢焊缝组织，奥氏体不锈钢焊缝组织一般为奥氏体加少量铁素体(2％～6％)。焊接铁素体不锈钢采用的焊丝成分与母材相近时，其焊缝组织为铁素体；当采用铬镍奥氏体不锈钢焊丝时，焊缝组织为奥氏体。马氏体不锈钢的焊缝，当焊丝成分与母材相近时，其焊缝组织及回火后的组织分别为马氏体和回火马氏体；当采用铬镍奥氏体不锈钢焊丝时焊缝组织为奥氏体。
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