Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Estimation of thermal efficiency in capacitive discharge welding using inverse problems: experimental and numerical analysis of the effects of measurement with thermocouples
Autor(es): FARIA, Fábio Silva
Primeiro Orientador: SILVA, Sandro Metrevelle Marcondes Lima e
metadata.dc.contributor.advisor-co1: LE MASSON, Philippe
Resumo: A medição de temperatura é fundamental em diversas aplicações da engenharia, especialmente em processos com altos gradientes térmicos e aquecimento rápido, como na soldagem. Dados precisos de temperatura são essenciais para o controle de qualidade, otimização de processos e garantia de segurança em operações industriais. No entanto, em processos rápidos e de alta energia, como a Soldagem por Descarga Capacitiva (CDW), a medição precisa da temperatura apresenta desafios significativos, principalmente devido à dificuldade de fixar termopares com baixa resistência térmica de contato e alta repetibilidade. Este trabalho apresenta uma análise do processo de fixação de termopares tipo K em superfícies metálicas utilizando um dispositivo de CDW desenvolvido sob medida. O desenvolvimento deste equipamento teve como objetivos superar a escassez de soluções comerciais adequadas, melhorar o contato térmico entre o termopar e a superfície metálica, e reduzir a resistência de contato, que afeta diretamente a precisão da medição de temperatura. Além disso, o projeto permitiu maior controle e compreensão dos parâmetros elétricos envolvidos, os quais foram integrados posteriormente à análise térmica. Métodos experimentais e numéricos foram utilizados ao longo do estudo. Na primeira etapa, uma configuração simplificada com um único fio de cromel foi utilizada para isolar os fenômenos de transferência de calor e validar o modelo térmico com menor incerteza. Essa etapa foi crucial para identificar e mitigar erros típicos de medição com termopares. Na segunda etapa, analisou-se a soldagem completa dos fios do termopar tipo K (cromel e alumel). Um modelo térmico transiente tridimensional com mudança de fase foi desenvolvido no COMSOL Multiphysics®. Para estimar o fluxo de calor durante a soldagem, aplicou-se o método não linear Function Specification Method aos dados de temperatura obtidos experimentalmente. O estudo demonstrou que tanto o projeto experimental quanto a robustez do modelo térmico influenciam significativamente na precisão da estimativa do fluxo de calor. Com base na energia térmica estimada e na energia elétrica fornecida pelos capacitores, foi calculada a eficiência térmica do processo em 45%. Além de permitir a fixação precisa de termopares, o processo de CDW serviu como estudo de caso bem controlado para a análise de técnicas de medição de temperatura e estimativa de fluxo de calor em eventos térmicos ultrarrápidos. Os métodos e resultados desta pesquisa podem ser aplicados para melhorar a caracterização térmica em outros processos de manufatura, como micro-soldagem, manufatura aditiva e testes térmicos rápidos nas indústrias aeroespacial e automotiva.
Abstract: Temperature measurement is critical in various engineering applications, particularly in processes involving high thermal gradients and rapid heating, such as welding. Accurate temperature data are essential for quality control, process optimization, and safety assurance in industrial operations. However, in fast and high-energy processes like Capacitor DischargeWelding (CDW), precise temperature measurement poses significant challenges, especially due to the difficulty of attaching thermocouples with minimal thermal contact resistance and high repeatability. This work presents an analysis of the process of attaching K-type thermocouples to metallic surfaces using a custom-designed CDW device. The development of this device aimed to overcome the scarcity of commercial equipment suitable for this purpose, improve the thermal contact between the thermocouple and the metallic surface, and reduce contact resistance, which directly affects the accuracy of temperature readings. Furthermore, the design of the equipment enabled better control and understanding of the electrical parameters, which were later integrated into the thermal analysis. Experimental and numerical methods were employed throughout the study. In the first stage, a simplified configuration using a single chromel wire was used to isolate and study heat transfer phenomena and validate the thermal model with fewer sources of uncertainty. This step was crucial for identifying and mitigating typical thermocouple measurement errors. In the second stage, the full welding of K-type thermocouple wires (chromel and alumel) was analyzed. A transient three-dimensional thermal model, including phase change, was developed and implemented using COMSOL Multiphysics®. To estimate the heat flux during welding, the nonlinear Function Specification Method was applied to the temperature data obtained from experiments. The study demonstrated that both the experimental design and the robustness of the thermal model significantly influence the accuracy of heat flux estimation. Using the estimated heat input and electrical energy delivered by the capacitor bank, the thermal efficiency of the process was calculated at 45%. Beyond enabling precise thermocouple attachment, the CDW process also served as a well-controlled case study for analyzing temperature measurement techniques and estimating heat flux in ultra-fast thermal events. The methods and findings from this research can be applied to improve thermal characterization in other manufacturing processes, such as micro-welding, additive manufacturing, and rapid thermal testing in the aerospace and automotive industries.
Palavras-chave: Heat transfer
Inverse problems
Function specification technique
Capacitor discharge welding
Thermocouples
COMSOL
Joule Effect
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: eng
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica
Citação: FARIA, Fábio Silva. Estimation of thermal efficiency in capacitive discharge welding using inverse problems: experimental and numerical analysis of the effects of measurement with thermocouples. 2025. 105 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2025.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4350
Data do documento: 7-Jul-2025
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