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Estimation of thermal efficiency in capacitive discharge welding using inverse problems: experimental and numerical analysis of the effects of measurement with thermocouples

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dc.creator FARIA, Fábio Silva
dc.date.issued 2025-07-07
dc.identifier.citation 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. pt_BR
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4350
dc.description.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. pt_BR
dc.language eng pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject Heat transfer pt_BR
dc.subject Inverse problems pt_BR
dc.subject Function specification technique pt_BR
dc.subject Capacitor discharge welding pt_BR
dc.subject Thermocouples pt_BR
dc.subject COMSOL pt_BR
dc.subject Joule Effect pt_BR
dc.title Estimation of thermal efficiency in capacitive discharge welding using inverse problems: experimental and numerical analysis of the effects of measurement with thermocouples pt_BR
dc.type Tese pt_BR
dc.date.available 2026-02-20
dc.date.available 2026-02-20T17:17:28Z
dc.date.accessioned 2026-02-20T17:17:28Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/9475887759480597 pt_BR
dc.contributor.advisor1 SILVA, Sandro Metrevelle Marcondes Lima e
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/9221494854759414 pt_BR
dc.contributor.advisor-co1 LE MASSON, Philippe
dc.description.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. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IEM - Instituto de Engenharia Mecânica pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA pt_BR


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