残余应力是影响焊接结构可靠性的重要因素。为了解决传统残余应力测量有损、耗时、费力的缺点,本文基于声弹性理论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的无损实时快速高精度测量。在进行焊接残余应力场测量试验时,发现了“声弹性效应不稳定现象”,即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。用表征试验对不稳定现象进行表征,表征试验包括焊接残余应力场临界折射纵波包络声弹性分散度试验和焊接残余应力场临界折射纵波包络波峰声弹性效应随机波动分布试验。针对声弹性效应不稳定现象作了一系列分析试验,包括残余应力场主应力与纵向残余应力夹角进行测量,零应力场声弹性波动分布试验和声弹性不稳定模拟试验。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,提出了焊接残余应力场弹性区声弹性主应力计算公式。使用超声波法对高速列车车体残余应力进行了测量,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。对高速列车牵引梁焊接残余应力进行了生产现场在线应力测量。对某型压力容器焊接残余应力进行了测量,修正了工件待测部位圆弧外形与探头耦合不良造成的误差,从而实现了对圆弧面工件的测量。