焊接熔池温度高及冷却速度大的特点使焊缝容易产生柱状晶。粗大的柱状晶颗粒协同变形能力差,使接头在形变过程中容易发生裂纹扩展,同时焊接造成的接头中高残余拉应力容易导致其载能力和疲劳寿命下降。因此,优化焊缝内部组织,改善焊缝力学性能,有效评价和调控焊接残余应力尤为重要。本文以55mm厚Q345钢板接头为研究对象,进行了无超声冲击处理、分层超声冲击处理和盖面前超声冲击处理工艺实验,分析了焊缝内部组织变化,结合轮廓法、冲击试验、微冲剪试验和显微硬度试验,研究了焊缝残余应力分布和力学性能,分析了超声冲击处理对焊缝内部组织、性能的影响及影响机理,研究了厚板内部残余应力分布特征,提出了分层超声冲击处理结合焊缝表面超声冲击处理的调控方法。组织分析表明:经分层超声冲击处理后焊缝内部组织细化明显,晶粒由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶,同时组织的细化也导致硬度值升高。经能谱测试发现分层超声冲击处理可以提高焊缝内部氧含量,同时促进了金属氧化物的生成过程,在焊道超声冲击处理表层产生的金属氧化物,这些氧化物可以为后续焊道凝固过程提供大量的形核质点,促进非自发形核,从而改变后续焊道凝固结晶过程,促使焊缝内部生长为等轴晶。二次切割轮廓法残余应力测试结果表明:焊态高残余应力主要分布在焊缝坡口内部及其附近,残余拉应力峰值出现在上下表面焊缝内部。盖面前超声冲击处理和分层超声冲击处理对焊缝内部残余应力分布趋势影响不大,但是在厚度上的水平方向上拉应力峰值有所下降,但是下降幅度有限。冲击试验结果表明:分层超声冲击处理后,由于焊缝组织细化,焊缝冲击吸收功提高13.6%,盖面前超声冲击处理后焊缝冲击吸收功无明显变化。基于微冲剪试验方法测试结果表明:焊缝经分层超声冲击处理后由于组织改善的原因剪切性能提高,尤其是焊缝内部薄弱区域提高明显。微冲剪试样断口照片显示,断裂韧窝分层超声冲击处理后大而深,韧窝内第二相粒子明显。维氏硬度测试结果表明:三组焊缝分布规律与微冲剪结果存在一致性,分层超声冲击焊缝硬度提高。