为了解决传统残余应力测量破坏、耗时、不精确的缺点，满足服役状态下焊接结构的安全监控需求，潜在危险工业对象的安全使用和使用寿命延长的需要，本文基于声弹性原理开发了超声波法焊接残余应力测量系统，实现了焊接结构残余应力场的无损实时快速高精度测量。　　选用对应力敏感的临界折射纵波作为测量波形，开发了超声波法焊接残余应力测量系统。开发的焊接残余应力测量系统设备轻便，体积小，单人可轻易携带，可以对多种材料焊接结构件单向和两向残余应力进行测量，也可以对加载应力进行测量。此系统也可以对各种材料的声弹性常数进行精确标定。使用虚拟仪器软件LabVIEW编写了系统支持软件，测量操作简便，过程实时快速。支持软件控制系统各组成部分工作时序，存储测量数据，进行数据处理和结果显示。　　对多种牌号的钢和铝合金材料平板对接残余应力场进行了测量。钢对接平板残余应力场包括：低碳钢双丝焊，低碳钢多层多道焊，EH36船用结构钢。铝合金对接平板残余应力场包括：2519铝合金双丝焊，5083铝合金MIG焊，7N01铝合金MIG焊。使用激光全息小孔法、切割释放法、有限元计算方法对试验结果进行了验证，验证了系统的可靠性和适用性。　　发现声波在2毫米薄壁结构中传播，易激发特殊波形，与临界折射纵波叠加，影响信号的稳定。针对薄壁件测量时信号干扰出现的“波峰分叉”现象，使用阈值法，克服了杂波干扰，实现了2毫米薄壁件残余应力的稳定精确测量。　　在进行焊接残余应力场测量试验时，发现同一测量线上弹性区残余应力测量值波动程度相对塑性区较大，称之为“声弹性效应不稳定现象”。　　用声弹性效应表征试验对不稳定现象进行表征，表征试验有焊接残余应力场临界折射纵波包络声弹性分散度试验，焊接残余应力场临界折射纵波包络波峰声弹性效应随机分布特征试验。对残余应力场主应力与纵向残余应力夹角进行测量，使用静应力场来模拟残余应力场弹性区的声弹性不稳定现象，得到了类似残余应力场的声弹性随机分布特征双峰分布，提出了焊接残余应力场弹性区声弹性主应力计算公式。　　综合多项技术提高超声波法精度，建立了高精度测量系统，编写了新的支持软件。使用一发双收探头、合理的晶片尺寸来减小系统误差；同时使用全包络权重算法，使用合理的滤波策略，使用格洛布斯准则去除随机误差。使铝合金残余应力测量精度达到了±12MPa。使用不确定度表征了系统的测量精度。　　使用超声波法对一系列控制焊接残余应力新方法的效果进行了评定，有效指导了这些方法工艺参数优化选择，加快了研制过程。同切割释放法进行对比，试验过程无损实时快速，结果可靠。对高速列车车体残余应力进行了测量，对车体残余应力的分布规律进行了总结，用激光全息小孔法和有限元计算对实验结果进行了验证，表明系统可以进行服役状态下薄壁焊接结构件的应力在线测量。这些试验证明了系统工程意义重大，应用范围广。提出了“服役状态焊接结构安全评定虚拟样机”的工程应用设想。