工业安装中如何预防连接件扭矩衰减？残余扭力抽检扳手的使用方法

一、文档概述

1.1 编写目的

本文档面向装配工艺工程师、质量工程师与检测设备管理人员，系统说明残余扭矩扳手的技术原理、检测方法体系、精度指标、校准维护与工程应用要点。文档用于统一残余扭矩检测的术语口径与操作规范，为螺栓连接装配质量的判定、追溯与改进提供技术依据。

1.2 读者对象

1.3 术语与定义

残余扭矩（Residual Torque）指螺纹紧固件完成拧紧、经一定时间或特定工况后，仍保持的扭矩值，反映连接副真实的装配夹紧力状态。与之相邻的概念需明确区分：动态扭矩是拧紧过程中由在线式扭矩传感器测得的最大扭矩；静态扭矩是拧紧完成后用扭矩扳手测得的扭矩，残余扭矩属于静态扭矩的范畴；分离扭矩（Break Away Torque）则是螺栓与工件之间的最大锁止扭矩，常用于反松检查。

扭矩衰减是螺纹连接拧紧后的必然现象。衰减直接导致轴向预紧力下降，进而削弱连接副的防松能力与疲劳寿命。残余扭矩检测的本质，就是通过可测量的扭矩值间接评估轴力保持水平，从而判断连接是否处于可靠状态。

1.4 相关标准

残余扭矩检测的方法体系与判定框架主要依据 VDI/VDE 2645 Blatt 3:2019-02《螺栓连接工艺能力测试》（Bolted joint process capability test）。该标准定义了螺栓拧紧的完整过程能力、装配后的五类检测方法以及相应的管控等级，是工艺工程师开展装配质量管控的重要参考。需要说明的是，该标准属于工艺能力测试（PCT）范畴，评估的是实际生产条件下人、机、料、法、环综合影响下的系统稳定性，与仅评估紧固设备本身稳定性的机器能力测试（MCT）在评估周期与结论含义上均不相同。

二、技术原理与标准依据

2.1 测量原理

残余扭矩扳手的核心测量链路为：操作者向已拧紧的连接副施加扭矩，扳手端部的应变式或扭矩传感器捕捉扭矩引起的微小形变，将机械量转换为电信号，经放大、滤波与模数转换后由内置算法处理，最终在显示屏上输出扭矩值、旋转角度及扭矩—角度曲线。对于智能数显型号，还可同步记录每一次检测的完整曲线，并通过无线通信上传至生产管理系统，实现检测数据的全量追溯。

从物理意义上看，残余扭矩检测是在"再拧紧"过程中寻找一个可复现的特征点。由于螺纹副在静摩擦与动摩擦之间的切换、被连接件的弹性回复以及接触面的微观压溃，扭矩—角度曲线在螺栓真正开始转动的瞬间会出现斜率变化或局部峰值。不同检测方法的差异，本质上就是对这个特征点的识别策略不同：有的依赖操作者感知，有的依赖角度窗口，有的依赖算法拟合。

2.2 五类检测方法

VDI/VDE 2645 Blatt 3 将残余扭矩检测归纳为五类方法，各自的取值逻辑与适用条件存在明显差异。

表 1 VDI/VDE 2645 Blatt 3 五类残余扭矩检测方法对比

方法选型应遵循"连接特性优先、判定口径可复现"的原则。对于软连接占比较高、摩擦系数离散性大的产线，峰值法与预设角度法的重复性往往难以满足要求，宜采用斜率变换法或分离后最小值法，并配合统计过程控制确定监控限。

2.3 标准适用范围说明

VDI 2645-3 给出的是方法框架而非固定阈值。标准并不规定某一连接副的具体合格扭矩值，而是要求企业基于自身连接特性、批量数据与统计方法确定监控区间。因此，残余扭矩检测的有效性高度依赖前期工艺验证与数据积累，直接套用其他产线的阈值是常见的实施误区。

三、工程检测方法选用

3.1 再拧紧扭矩法

再拧紧扭矩法是在已拧紧的螺栓上进一步拧紧较小角度，取螺纹开始相对转动时的扭矩。继续拧紧的角度通常不超过 15°，测试宜在拧紧后 30 分钟内完成。需要强调的是，取值点不是"转过 15° 后"的扭矩，而是螺纹开始相对转动的瞬间扭矩，对不同连接副可能是 5°，也可能是 10°。

从曲线形态看，当静摩擦系数与动摩擦系数接近时，曲线较为光滑，可直接读取拐点；当两者差距较大时，曲线会先上升至较高扭矩再跌落，此时应以跌落前的拐点作为再拧紧扭矩值。这一特征使得该方法的准确性对操作者资质较为敏感，未经培训的人员使用无曲线记录功能的扳手时，结果离散性显著增大。

该方法的优势在于无需破坏连接副、操作便利、工具成本适中，测试后零件可直接进入下道工序。判定区间方面，硬连接通常取 0.8–1.2 倍预拧紧扭矩，软连接取 0.5–1.2 倍预拧紧扭矩；考虑到连接副个体差异，实际测试时建议以统计方法确定特定监控点的区间。

3.2 检测扭矩法

检测扭矩法是在拧紧方向继续施加扭矩直至达到检测扭矩 Mp，若螺栓头部不出现转动则判定合格，反之不合格。该方法适用于拧紧后不允许转动的连接，例如已预涂微胶囊防松胶水的位置——一旦检测过程中螺栓发生转动，会破坏已开始固化的胶层，降低防松性能。

检测扭矩的经验值一般取预紧扭矩的 80%–90%。该方法不产生角度位移，对连接状态无扰动，但对检测扭矩的设定精度要求较高，设定过低会导致误判合格，设定过高则可能掩盖真实的松动风险。

3.3 剩余扭矩法

剩余扭矩法的操作是先将螺栓拧松 10–30°，再拧紧至初始位置，读取最终的拧紧扭矩值。该方法操作简单、测试后无需返工，特别适合静摩擦系数远高于动摩擦系数、采用再拧紧扭矩法时数值离散性大的连接。

监控范围的建立方式为：先测试 50 组离散性较低的扭矩值，按正态统计方法计算均值 μ 与标准差 s，以（μ−3s，μ+3s）作为监控区间，并根据连接件变更情况与时间周期进行更新。该方法对样本量有明确要求，样本不足时区间不具备统计意义。

3.4 拧松法

拧松法是用扭矩扳手向拧松方向缓慢转动螺栓，读取开始转动时的扭矩值，即松开扭矩。该方法操作简单、成本低、对测试人员要求较低，适用于抽检与故障分析。

其代价是破坏了螺纹连接原有的拧紧状态，对批量生产的车间可能影响节拍，测试后需按规定重新拧紧。理论上，拧松扭矩与拧紧扭矩的比值受摩擦系数、轴力、螺距、头下摩擦直径与螺纹中径共同影响，并非固定值：摩擦系数越大、螺距越小，该比值越高。因此拧松法难以给出统一的合格判据，只宜作为趋势性监控手段。

3.5 轴力衰减测量法

轴力衰减测量法直接测量轴向预紧力，常见实现包括超声波测量法、压力垫圈传感器法与贴应变片法。其中超声波法精度高、操作相对简便，可对在役螺栓进行定期跟踪检测，应用最为广泛。其原理是事先建立被测量螺栓"轴力—超声波飞行声时差"的关系曲线，再实测装配状态下的声时差，反推当前轴力。

该方法的行业经验判据为残余轴力不低于 0.7 倍预拧紧轴力。由于设备投入大、过程复杂，目前尚不适合车间批量监控，主要应用于螺纹接头设计验证、拧紧工艺开发阶段，以及路试外载荷或温度载荷后的轴力衰减评估。

表 2 五类工程检测方法特性对比

四、精度指标与设备选型

4.1 精度指标

残余扭矩扳手的精度通常以"量程百分比"表述，主流智能数显产品的扭矩精度可达 ±1%（10%–100% 量程）。这一表述包含两层含义：其一，精度是相对满量程的百分比，而非相对读数的百分比；其二，量程下限 10% 以下不保证精度，因此选型时应使目标检测扭矩落在量程的 10%–100% 区间内，避免"大扳手测小扭矩"。

量程覆盖方面，市面产品已形成 3 Nm 至 900 Nm 的完整谱系，可覆盖电子装配、通用工业检测、重工业大型连接件、工程机械、风电设备机舱与塔筒连接、船舶动力系统等场景。对于跨越多扭矩等级的多品种产线，宜选用支持末端配件自动识别与扭矩参数切换的型号，以降低换型管理与运营成本。

4.2 关键功能配置

表 3 残余扭矩扳手关键功能配置要求

4.3 选型流程

选型应按以下顺序推进：首先明确被检测连接副的规格、预紧扭矩与软硬连接类型；其次确定采用的检测方法与判定区间；再次核算目标扭矩在量程中的位置，确保处于 10%–100% 区间；随后评估数据追溯与系统对接要求；最后确认人员资质与培训方案。对于安全关键连接，应优先选择支持斜率变换法且具备曲线复核能力的型号。

五、校准、维护与工艺改进

5.1 校准要求

残余扭矩扳手长期使用后，会因部件磨损、弹性元件疲劳、外力冲击等因素产生精度偏差，必须建立规范的校准流程并定期执行。校准应覆盖全量程的多个检定点，至少包含量程的 20%、50%、80% 三个位置，并记录示值误差与重复性。校准周期应结合使用频次、环境条件与历史漂移情况确定；对于安全关键工位，宜缩短周期并在每次换班前进行零点与单点核查。

校准记录应纳入设备档案，与检测数据一并保存，形成"设备—校准—检测"的完整追溯链。超期未校准或核查不合格的扳手应立即停用并标识隔离。

5.2 日常维护

日常维护包括：每次使用后清洁传感器接口与显示窗口，避免油污与金属屑进入；避免跌落、超量程加载与强电磁环境存放；长期不用时取出电池，按说明书要求存放于干燥环境；定期检查通信模块与充电接口的接触状态。对于联机版设备，还应定期核对工具与控制器之间的配对信息，防止换型时参数错配。

5.3 抑制扭矩衰减的工艺措施

残余扭矩检测发现问题后，应从工艺源头改进。有效的措施包括：采用多步拧紧，预紧阶段可高速以提高效率，终紧阶段采用低速，拧紧速度一般不超过 20 rpm；对重要拧紧位置采用同时拧紧，设备不具备条件时设计合理的拧紧次序；降低连接副零件表面粗糙度，减少毛刺压溃引起的轴力下降；尽量减少塑料、橡胶等软材料参与夹持，必要时加入金属衬套；优先采用细牙螺纹，因其升角小、更不易松动；提高材料硬度，并合理选用细长、大柔度螺栓以提升防松性能。

5.4 常见问题处置

表 4 残余扭矩检测常见异常与处置

六、结论

残余扭矩是评价螺纹连接装配质量的核心参数，其检测方法体系已由 VDI/VDE 2645 Blatt 3 系统化定义。五类方法在取值逻辑、扰动程度与设备要求上各有侧重，不存在普适的优解，工程实践中应依据连接特性、批量规模与追溯要求组合选用。设备层面，±1%（10%–100% 量程）的精度水平与曲线记录能力已成为智能数显扳手的基本配置，量程匹配与定期校准是保证数据可信的前提。工艺层面，残余扭矩检测的价值不止于判定合格与否，更在于通过数据积累反向优化拧紧策略、抑制扭矩衰减，从而在源头提升连接可靠性。

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