16MnR钢是低碳低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能和工艺性能，在焊接结构中应用非常广泛。在焊接过程中，由于受到不均匀的加热和拘束度的作用，焊接接头处存在焊接残余应力，影响焊接结构的安全性能。分析16MnR钢焊接残余应力大小及分布，研究消除其焊接残余应力的基本规律，对于焊接结构质量的提高和安全应用具有重要意义。本文以16MnR平板对接工艺试板、转向架构架和风机叶轮作为研究对象。首先通过数值模拟和测试等方法分析了16MnR平板对接工艺试板焊接残余应力基本分布规律和热处理消除残余应力的基本规律。然后针对典型实际焊接结构——客车转向架构架和风机叶轮，在测试分析其关键部位焊接残余应力的基础上，研究了振动时效工艺消除焊接残余应力的影响因素和基本规律。采用ANSYS软件对16MnR平板对接工艺试板有限元数值模拟结果和盲孔法测试结果均表明，16MnR钢焊缝附近最大主应力为拉应力，其最大值可达到或超过材料屈服极限，而且模拟结果和实测结果数值比较接近。对转向架构架结构进行振动时效处理结果表明，振动时效处理时的支撑位置、激振力、激振时间等对振动时效效果有影响，采用四点对称支撑并使用二档激振力进行30分钟的振动时效处理可以消除残余应力，可使焊接残余应力平均下降14.5%～17.2%，残余应力峰值下降17.8%～25.0%。热时效消除残余应力研究结果表明，无论对工艺试板还是实际焊接结构，热时效均可有效消除焊接残余应力，热处理可使焊接残余应力平均下降53.8％～74.2%，应力峰值下降48.9%～58.2%。