焊缝金属由液态转变为固态的凝固过程，称为焊缝金属的一次结晶，遵循金属结晶的一般规律。但又具有独到的特点。
1.特点
(1)熔池体积小，冷却速度大。以至于含碳量高、合金元素含量高的钢和铸铁易产生硬化组织和结晶裂纹。
(2)熔池中的液态金属处于过热状态。焊缝易得到柱状晶组织。
(3)熔池是在运动状态下结晶，熔池前半部处于熔化状态，后半部处于结晶状态，由于焊条的摆动、气体的吹力而使熔池受到搅拌作用，有利于气体、杂质的上浮，也有利于得到致密而性能良好的焊缝。
2.过程
熔池的一次结晶包括晶核的形成和晶核的长大两个过程。晶核形成于熔合线上，晶核形成后向熔池中心生长，从而形成柱状晶组织。当柱状晶不断长大至互相接触时，这一熔池断面结晶过程结束。
3.一次结晶过程中的偏析
由于熔池体积小，冷却速度快，己经凝固的焊缝金属中的化学成分来不及扩散而造成的化学成分不均匀现象叫偏析。
偏析有三种形式，一种是显微偏析，它是晶粒内部和晶粒之间的不均匀现象，它受金属的化学成分的影响，化学成分决定了金属结晶的温度区间，结晶区间越大，越容易引起显微偏析。一种是区域偏析，它是由于熔池柱状晶在生长的过程中把杂质“赶”向熔池中心所造成的。其结果是熔池中心的杂质比其他部位多。第三种是层状偏析，其表现在焊缝不同分层的化学成分分布不均匀。以上三种偏析中，对焊缝质量影响较大的是区域偏析和层状偏析。区域偏析的程度受焊接材料的合金成分或杂质的影响，合金成分或杂质越多，区域偏析越严重;受焊接速度的影响，焊接速度越快，区域偏析程度越严重;当区域偏析严重时，容易形成纵向裂纹。在层状偏析中往往集中了一些有害元素，往往成为缺陷的发源地;层状偏析还会使焊缝的力学性能不均匀，耐腐蚀性能也不一样。
4.夹杂
焊缝中还存在一些夹杂物，包括有氧化物夹杂和硫化物夹杂。氧化物夹杂主要是Si02, MnO, Ti02和A1203。一般以硅酸盐形式存在，是焊缝中引起夹渣的主要原因。硫化物夹杂有MnS和FeS.其中FeS是引起焊缝热裂纹的主要因素之一。