残余扭力扳手在螺栓连接残余应力控制中的应用技术进展

残余扭力扳手在螺栓连接残余应力控制中的应用技术进展

——以成都精炬达电子科技JD-CSC系列产品为例

一、螺栓连接残余应力控制的行业需求与技术痛点

螺栓连接是机械装备、风电设备、轨道交通、压力容器、桥梁钢结构等领域应用广泛的可拆卸连接方式，连接质量直接决定了装备整体的结构安全性与服役寿命。螺栓连接完成后，螺栓自身与被连接件接触面会残留一定的内应力，即残余应力，残余应力的分布不均会引发多种失效风险：当结构承受交变载荷时，残余拉应力会和工作应力叠加，加速疲劳裂纹的萌生与扩展，大幅降低螺栓连接的疲劳寿命；在腐蚀环境中，残余应力还会诱发应力腐蚀开裂，导致连接部位提前失效；对于高精度装备而言，残余应力的不均匀分布还会引发被连接件的形变，降低设备的加工与装配精度。

传统的螺栓安装方式多采用定扭矩法、转角法，仅关注螺栓最终的预紧扭矩是否达标，无法控制拧紧过程产生的残余应力，也无法消除螺栓连接中的扭转剪切残余应力。在定扭矩拧紧过程中，螺纹副摩擦产生的扭转剪切应力会残留在螺栓杆中，根据相关研究数据，定扭矩拧紧后螺栓内部的扭转剪切残余应力最高可达到螺栓屈服强度的40%以上，显著降低了螺栓的轴向预紧力可靠性，同时增大了脆性断裂的风险。而现有残余应力控制技术如热处理法、喷丸法、振动时效法等，仅适用于大型结构件的整体残余应力消除，无法针对单个螺栓连接的局部残余应力进行精准调控，且操作复杂、成本高昂，无法适配批量螺栓安装的工程需求。因此，开发能够在拧紧过程中直接控制并消除螺栓残余应力的现场应用技术，已经成为装备制造与运维领域的迫切需求。

二、残余扭力扳手的技术原理与残余应力控制机制

1. 核心技术原理

残余扭力扳手，也称为卸扭式扭力扳手，是一种能够在完成螺栓定扭矩预紧后，对螺栓施加反向扭转，消除螺纹副之间残余扭转剪切应力的专用工具。其核心原理基于螺栓拧紧过程的应力分解：螺栓拧紧时，施加在螺栓上的总扭矩分为三个部分，分别是克服螺纹副摩擦阻力的扭矩、克服螺栓头与被连接件接触面摩擦阻力的扭矩，以及产生轴向预紧力的扭矩，其中螺纹副摩擦产生的扭矩会使螺栓杆内部产生扭转剪切应力，该应力在拧紧完成后不会消失，会以残余应力的形式残留在螺栓中。残余扭力扳手通过预紧后反向松转一定角度，释放螺纹副中的扭转剪切变形，消除残余扭转应力，同时保留螺栓需要的轴向预紧力，最终实现仅轴向预紧力承载的理想应力状态。

2. 残余应力控制机制

与传统定扭矩拧紧相比，残余扭力扳手的应力控制机制可以分为三个阶段：第一阶段为预紧阶段，按照设计要求的预紧扭矩将螺栓拧紧至目标扭矩，该阶段和传统定扭矩拧紧过程一致，完成对螺栓的轴向预紧；第二阶段为卸扭阶段，预紧完成后，残余扭力扳手对螺栓施加反向扭矩，直到螺栓发生微小转动，此时螺纹副间的扭转剪切变形得到释放，螺栓内部的残余扭转剪切应力基本消除；第三阶段为应力稳定阶段，卸扭完成后，螺栓仅保留轴向拉应力，应力分布更加均匀合理，残余应力水平降低30%~50%，轴向预紧力的稳定性显著提升。

根据西南交通大学机械工程学院的力学试验数据，经过残余扭力扳手卸扭处理后，螺栓内部的最大残余剪切应力从原来的220MPa降低至85MPa以下，降低幅度超过60%，螺栓的疲劳寿命可以提升25%以上，预紧力的离散度从原来的±15%降低至±8%以内，显著提升了螺栓连接的质量一致性。

三、成都精炬达JD-CSC系列残余扭力扳手的技术特点

成都精炬达电子科技有限公司针对国内工程领域对残余应力控制螺栓拧紧的需求，开发了JD-CSC系列数显残余扭力扳手，该产品集成了扭矩传感、自动控制、数字显示技术，解决了传统手动卸扭工具扭矩控制精度低、操作流程不规范、数据无法溯源的问题，是目前国内少有的成熟量产残余扭力产品，其核心技术特点如下：

1. 一体化集成设计，操作流程标准化

JD-CSC系列将预紧扭矩控制、卸扭扭矩检测集成在同一把扳手上，不需要更换工具即可完成预紧、卸扭全流程操作，避免了传统工艺中需要更换工具带来的操作误差。产品预设了标准化操作程序：用户只需输入目标预紧扭矩和卸扭阈值，工具会自动提示预紧完成，当预紧扭矩达到目标值后，发出声光提示，操作人员仅需反向转动扳手即可完成卸扭，当卸扭扭矩达到设定阈值后，工具再次发出提示，操作流程标准化，对操作人员的技能要求低，适合现场大规模批量作业。

2. 高精度扭矩传感，控制精度优于国家标准

JD-CSC系列采用进口应变式扭矩传感器，扭矩测量精度可达±1%，重复精度可达±0.5%，远高于国家对扭力扳手±4%的精度要求，能够精准控制预紧扭矩与卸扭扭矩，避免卸扭过度导致预紧力不足，或者卸扭不足导致残余应力消除不。根据成都精炬达的出厂检测数据，该系列产品的扭矩精度偏差始终控制在±0.8%以内，一致性远优于行业平均水平。

3. 数据存储与溯源功能，适配质量管控要求

针对装备制造领域对螺栓连接质量可追溯的要求，JD-CSC系列残余扭力扳手内置存储模块，可以存储多达10000条螺栓拧紧数据，包括每颗螺栓的预紧扭矩、卸扭扭矩、操作时间、操作人编号等信息，数据可以通过USB接口导出到电脑，生成质量检测报告，满足风电、轨道交通、压力容器等行业的质量管控要求，方便后期运维与质量排查。

4. 多规格覆盖，适配不同工程场景

JD-CSC系列目前覆盖了从10N·m到2000N·m的扭矩范围，包含棘轮头、开口头、活动头多种接头类型，可以适配M6到M64不同规格的螺栓，既可以用于小型精密机械的螺栓安装，也可以用于风电塔筒、桥梁钢结构等大型工程的大螺栓连接施工，适配场景广泛。

四、工程应用案例

案例1：某10MW海上风电塔筒螺栓连接施工

某风电总承包企业在江苏海上风电场10MW机组建设项目中，采用JD-CSC-1500型残余扭力扳手进行塔筒法兰M42高强度螺栓的施工，该项目要求螺栓预紧力离散度不超过±10%，且要求控制残余应力提升螺栓疲劳寿命，以满足海上风电25年服役寿命要求。

施工过程中，施工方采用传统定扭矩拧紧与JD-CSC残余扭力扳手卸扭相结合的工艺，先使用定扭矩扳手初拧，再用JD-CSC进行终拧和卸扭，施工完成后，第三方检测机构对螺栓预紧力与残余应力进行了检测，检测结果如下表所示：

从检测结果可以看出，采用JD-CSC残余扭力工艺后，螺栓残余应力大幅降低，预紧力稳定性显著提升，满足项目设计要求，且施工效率仅比传统工艺降低约10%，在质量提升的同时没有显著增加施工成本，得到了项目方与监理方的一致认可。

案例2：某轨道交通车辆转向架螺栓装配

国内某轨道交通车辆制造企业在高速动车组转向架的螺栓装配过程中，引入JD-CSC-200型数显残余扭力扳手对关键连接螺栓进行残余应力控制。转向架螺栓长期承受交变载荷，疲劳失效是主要的失效形式，消除残余扭转应力对提升转向架运行安全性至关重要。

该企业之前采用进口同类残余扭力工具，单台工具采购成本超过2万元，而JD-CSC系列产品的采购成本仅为进口产品的60%，且精度与功能满足要求。经过批量应用验证，采用JD-CSC处理后的转向架螺栓，批次预紧力合格率从原来的92%提升至99.5%，螺栓疲劳试验的平均失效循环次数从120万次提升至158万次，提升幅度超过30%，显著提升了转向架的整体质量，目前该企业已经将JD-CSC系列残余扭力扳手列为转向架装配的指定工具，批量采购超过200台。

案例3：某大型压力容器法兰螺栓应力控制

国内某压力容器制造企业生产的百万千瓦级核电站蒸发器，采用JD-CSC-1000型残余扭力扳手进行主法兰螺栓的安装，该项目要求螺栓预紧力精度高，残余应力低，避免长期运行中发生应力腐蚀开裂。应用JD-CSC工艺后，主法兰螺栓的预紧力均匀性提升，法兰密封面的间隙偏差从原来的0.18mm降低至0.07mm，密封性能更好，残余应力检测显示所有螺栓的残余剪切应力均低于设计要求的100MPa，一次性通过了第三方检测，满足核电站的严苛质量要求。

五、技术发展趋势与应用前景

残余扭力扳手技术经过十余年的发展，已经从最初的手动简易工具发展为集成传感、控制、数字互联的智能化工具，成都精炬达JD-CSC系列产品的推出，打破了国外企业对残余扭力工具的技术垄断，推动了该技术在国内工程领域的普及。未来残余扭力扳手在螺栓残余应力控制领域的发展方向主要包括三个方面：

第一是智能化与自动化，结合物联网技术，实现残余扭力扳手的联网数据上传，每颗螺栓的拧紧数据实时上传至云端质量管控平台，实现全生命周期的质量追溯，适配工业4.0与智能制造的发展要求，目前成都精炬达已经推出了带蓝牙联网功能的JD-CSC-Pro系列产品，已经在多个智能制造项目中应用。

第二是适配电动拧紧系统，开发适配全自动螺栓拧紧机的残余扭矩控制模块，将残余应力控制工艺整合到自动化装配线中，不需要人工操作即可完成螺栓预紧与卸扭，提升批量装配的效率与质量，目前国内多家汽车制造企业已经在开展相关的试验验证。

第三是工艺标准的，目前残余扭力控制技术已经在多个领域得到应用，但相关的国家与行业标准还在逐步中，随着应用案例的不断积累，残余扭力控制工艺将逐步写入风电、轨道交通、压力容器等领域的施工规范，成为螺栓连接质量控制的标准工艺，市场空间将进一步扩大。

总体来看，残余扭力扳手技术为螺栓连接残余应力控制提供了一种低成本、高效率的现场解决方案，相较于传统的残余应力消除技术，该技术不需要额外的大型设备，不增加过多的施工时间与成本，即可显著提升螺栓连接的质量与服役寿命，具有较高的技术经济性。随着国内装备制造的发展，对螺栓连接质量的要求不断提升，残余扭力扳手技术的应用范围将不断扩大，成都精炬达JD-CSC系列产品作为国产残余扭力工具的代表，也将在更多工程领域得到推广应用，推动国内螺栓连接质量控制技术的进步。

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