中国古代青铜器铸焊技术探源

心存感激vuz9zh 2019-03-26

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作者简介

尹海洁，女、黑龙江哈尔滨人、社会学博士、哈尔滨工业大学社会学系教授，博士生导师、主要研究方向为技术社会学，社会统计学等。

黄鹰航，女、黑龙江哈尔滨人、哈尔滨工业大学社会学博士研究生、主要研究方向为技术社会学，技术社会史，技术哲学。

一、序言

中国古代青铜文明拥有两千多年辉煌的历史。青铜器由小到大的体积变化以及由简至繁的造型设计背后体现着金属连接技术的不断创新与发展。青铜器制造中的焊接技术，尤其是夏商时期的青铜器铸焊技术，一直以来并未作为一个专门的研究问题被学术界关注。对夏商青铜器浇铸连接工艺中焊接结构的系统研究更是付诸阙如。然而作为中国古代焊接技术的起点，青铜器铸焊技术的研究不仅能使我们了解本民族焊接工艺的渊源，还有助于我们更加全面、细致的分析西周以后在“铸焊”技术基础上产生的青铜器“钎焊”技术。

中国古代的青铜器铸焊技术，是在铸造青铜器的过程中，通过嵌套陶范的方法，使先铸成的青铜部件与后浇注的青铜熔液在接合处形成冶金连接的一种特殊的古代焊接工艺。

二、青铜铸焊技术产生的历史背景

中国的青铜文明始于夏代，约公元前2000前后。而在此之前曾有一段“铜石器并用”的历史阶段。已出土的早于夏纪年的铸造青铜器主要是体积较小的工具、兵器和装饰器，均为实心铸造青铜器。其中保存较完整的器物为甘肃东乡林家遗址出土的马家窑文化铸造青铜刀（图1）。

长12.5cm，测定年代为公元前2740年^[1]。

图1 甘肃东乡林家遗址出土的马家窑文化铸造青铜刀

即使进入夏纪年之内的不同考古文化区出土的铸造青铜器也多属实心铜器，如甘肃永靖秦魏家遗址出土的齐家文化铸造青铜环残件（M99：6）^[2]，以及青海省海南州贵南县尕马台遗址出土的齐家文化七角星纹镜（图2）^[3]。

图2 青海省海南州贵南县尕马台遗址出土的齐家文化铸造青铜镜

这些青铜工具或饰器由于没有内部空腔，结构简单，浇铸方式也很原始，因此并未涉及金属连接问题。

到了夏代中晚期的二里头文化时，青铜器的形制和铸造工艺有了很大的变化。直至殷商时期，青铜铸造连接技术的创新发展反映在青铜器物上有两个明显的变化趋势。第一，青铜器种类增多、体积增大；第二，青铜器形制复杂、附件数量增多。需要由铸焊技术解决的连接问题正是在这两个方面的发展中凸显的。

三、青铜容器的出现及体积增大与补铸、拼铸焊接

中国青铜文明开始的一个重要标志就是青铜容器的诞生，商代青铜容器的体积不断增大。这两种变化对青铜器铸造连接技术提出了新的需求。

1. 夏代薄壁空腔青铜容器铸造缺陷的修补焊接

夏代薄壁空腔青铜器的出现，对冶铜浇铸工艺提出了新的挑战。薄壁空腔青铜器在浇铸过程中很容易出现因青铜熔液流不满型腔而造成的铸造缺陷。有研究表明，山西陶寺铃形器就存在这样的铸造缺陷（图3）。

这是目前能确认的最早的泥型铸造红铜器，也是最早的铸有空腔的铜器，约公元前2000年的夏代早期，属陶寺文化晚期。据推测该铃形器是由一个泥芯和两块外范浇铸而成，其表面就有一个“浇不到”的孔洞（图3箭头指向处），“几乎占顶部总面积的五分之一”^[4]。由于存在型腔，铃形器的外范内部必须设置泥芯。所以陶寺铃形器可视为空腔泥芯铸造技术早期的器物。

图3 山西省襄汾县陶寺遗址出土泥芯铸造红铜铃形器

夏代晚期二里头文化出土的青铜鼎是大体积薄壁空腔青铜容器的典型代表。虽然目前出土的数量较少，但已发现鼎上有多处修补铸造缺陷的情况。如发现于上海冶炼厂的夏代晚期云纹鼎（图4）的腹部（图5方框内箭头指向处）和足部（图6方框内箭头指向处）都有铸后修补的痕迹^[5]P2。这些修补效果与近现代民间“焊洋铁壶”的修补效果十分相似。

图4 夏晚期云纹鼎

图5 夏晚期云纹鼎腹部修补痕迹

图6 夏晚期云纹鼎足部修补痕迹

此外，有两件夏晚期乳钉纹青铜斝（jiǎ），其中1件的口沿处发现了铸后修补的痕迹（图7曲线轮廓内）^[5]P10-12。另有1件青铜斝的底部和足部发现多处旧时修补痕迹（图8方框内箭头指向处），从修补部位观察，推测当年还曾入火使用^[5]P14。

图7 夏代晚期青铜斝口沿处修补痕迹

图8 夏代晚期青铜斝底和足部修补痕迹

通过观察推测，夏代晚期，小面积铸造缺陷的修补方法是直接在缺陷处点浇青铜熔液。如图5、图6鼎腹足和图8斝足上橡皮泥状的修补痕迹。但面积较大铸造缺陷的修补方法，应是于缺陷处接设外范才能完成，如图7青铜斝口沿处的铸焊修补。尤其是修补范围内包含了青铜斝柱（图7箭头指向处）时，更必须借助另设外范才能浇铸青铜熔液进行接续性铸焊。这种接续性铸焊的修补情况，会随着浑铸青铜容器体积的不断增大而更加频繁地出现。

2. 商代方鼎的拼接铸焊和修补铸焊

就青铜鼎的发展历史来看，自夏末至殷商，先有圆鼎，后有方鼎，体积不断增大，如图9所示夏代圆鼎与图10所示的商代圆鼎，虽器形结构相似，但商代圆鼎的体积和质量较夏代圆鼎已经增大了许多。

图9 夏末圆鼎

图10 商前期圆鼎

目前出土年代最早的青铜方鼎属商代早期，如图11所示的郑州杜玲街出土商代早期拼接铸造方鼎。青铜鼎由圆到方的形状改变，对浑铸技术提出了挑战。在当时，大方鼎的浑铸应是十分困难的。基于夏末另设外范的接续性铸焊技术，古代工匠已可以将较大体积的青铜器分部分、分次序铸造焊接。商代早期的冶铸工匠尝试将大方鼎划分为若干部件，分别设计制模制范，之后分次序先浇铸第一个部件，后将其置入第二个部件的范型中，在浇铸第二个部件的同时完成其与第一个部件的冶金连接，按照此法逐个浇铸、拼接，最终组合成一个完整的方鼎。如图12箭头指示的拼铸方鼎花纹间的拼铸焊缝。

图11 郑州杜玲街出土商代早期拼接铸造方鼎

图12 拼铸方鼎花纹间的铸焊缝及拼铸焊接的各个接缝

拼接铸焊技术虽然巧妙地将大方鼎的制造简化为若干无型腔、小部件的制造，但也破坏了大方鼎上的纹饰和铸型结构的完整性和连续性。这也许是铸成时间最晚的一件大方鼎——郑州商城南顺城街窖藏H1：1号鼎的铸造“已有似浑铸制范的倾向”^[6]的部分原因。而且，更晚制成的安阳殷墟妇好墓后母戊大方鼎也正是被设计为浑铸鼎身和鼎足的。所以我们有理由推测，商代早、中期不断拼接铸焊多件大方鼎的尝试及其技术改进，很可能是后世殷墟妇好墓后母戊大方鼎浑铸设计的技术准备。

后母戊鼎是目前出土体积最大的青铜鼎，通耳高133cm，口沿长边为110cm，中国计量科学院最新称重为832.84kg^[7]。由于鼎身与鼎足浑铸，浇铸的体积太大，鼎身的一个侧面出现了范围较大的铸造缺陷（图13曲线轮廓内）。与另一面完整铸就的鼎身（图14）对比能够很容易的判断出有缺陷一面鼎身的右上角几乎相当于该面四分之一面积的部分都是后设陶范补铸焊接的。

图13 殷商后母戊大方鼎鼎身有铸造缺陷面

图14 殷商后母戊大方鼎鼎身完整铸就面

后母戊方鼎的这处面积较大的修补性焊接与前文夏代晚期乳钉纹青铜斝口沿处的修补性焊接（图7）情况类似，都是由于浑铸当时体积较大的青铜容器时出现了较大面积的铸型缺失。这不似修补孔洞状小面积缺陷那样简单点浇青铜熔液补焊即可，而必须视修补部分为一个独立的青铜部件，套接陶范进行接续性铸焊操作。后补部件与原器之间的连接面应是以铸造方式形成的焊接结构。虽然体积巨大的后母戊方鼎因鼎身鼎足浑铸的设计要求存在铸造缺陷，但其纹饰效果和设范铸制的工艺无疑是当时大方鼎中最难、最优的。

四、青铜器形制复杂化带来的附件连接问题

将不同历史时期相同类型的青铜礼器进行对比观察，容易发现夏商周三代青铜器器形复杂化的发展趋势。青铜器附件形制的变化以及附件数量的增多是器形复杂化发展的主要表象，而附件形制的变化和数量的增多必然会带来各个附件与主体之间的连接问题。

1.由附件形制变化导致的铸焊连接

青铜容器的种类是随时代更迭不断增加的。有些类型的青铜器如青铜斝，作为社会等级较高的青铜礼器，自夏代晚期的二里头文化始一直沿用。鉴于青铜斝有较长的铸造历史，以它为例，通过对比各个时期青铜斝的器形，说明由附件的形制变化导致的铸焊连接技术的应用。

青铜斝主要包含3种附件，斝鋬（jiǎ pàn）、斝柱和柱帽。其中斝鋬是把手类功能性附件（如图15~图18所示），在多种青铜器上颇为常见。斝柱（如图19箭头指向处）和柱帽（如图20箭头指向处）是装饰类附件。夏代晚期到商代晚期，鋬和帽设计上的改变分别从两个侧面反映了附件形制的变化对铸焊技术提出的需求。

（1）斝鋬上高浮雕装饰引发的铸焊连接

为说明不同文化时期青铜斝鋬的器形变化，选取四件代表不同历史时期的青铜斝鋬进行对比观察：图15代表夏代晚期二里头文化的青铜斝鋬；图16代表商代早期二里岗文化的青铜斝鋬；图17代表商代中期的青铜斝鋬；图18代表殷墟妇好墓的青铜斝鋬。通过对比观察能够发现，二里头文化、二里岗文化和商代中期的青铜斝鋬上留有明显的与斝身合范浑铸的痕迹。其中二里头文化青铜斝鋬铸后并未打磨修饰，商代以后的斝鋬铸后都经过打磨。二里头文化和二里岗文化斝鋬内的设范使斝身上的纹饰无法连续，商代中期斝鋬的设范方式有所改进，使鋬内斝身上的纹饰得以连贯。二里头文化、二里岗文化和商代中期的三件青铜斝鋬上并无装饰，鋬只是功能性附件，而殷墟妇好墓的青铜斝鋬上为了追求美观装饰了兽首。

图15 夏代晚期二里头文化末期青铜斝鋬局部

图16 商代早期二里岗文化盘龙城李家嘴青铜斝鋬局部

图17 商代中期兽面纹青铜斝鋬局部

图18 殷墟妇好墓M5：860青铜方斝鋬局部

这四件青铜斝鋬不仅反映了夏至殷商斝鋬局部铸范设置方法的改进，同时反映了斝鋬由单一功能性附件到兼具装饰性效果的附件的复杂化设计过程。由于殷墟妇好墓M5：860青铜斝鋬的顶部装饰了高浮雕兽首，使斝鋬难以与斝身浑铸。因而此青铜斝的斝鋬与斝身之间是铸焊连接的。铸造顺序是先铸斝身并在需要接铸斝鋬的相应位置设计了两个凸榫，斝鋬铸焊于两凸榫之上，如图18圆框中箭头处所示，斝鋬与斝腹的连接处有明显的铸焊接痕。这与之前三个浑铸的斝鋬形成了鲜明的对比。

（2）柱帽体积增大独立性增强引发的铸焊连接

由图19到图23展示的青铜斝柱帽的形制变化能够发现，从夏代晚期到商代晚期，柱帽作为青铜斝的装饰性附件，体积不断增大，独立性也不断增强。这种变化使斝柱与柱帽由浑铸变为分铸。

目前出土年代最早的青铜斝，属于夏代晚期。斝的形制还很原始，斝柱很细，柱帽很小，与斝身整体浑铸。

图19 夏代晚期乳钉纹青铜斝

商代早期出现了兽面纹青铜斝，柱帽明显变大，呈菌菇状

图20 商代早期兽面纹青铜斝（无纹饰小菌状帽）

有些帽顶还铸出了纹饰

图21 商代早期兽面纹青铜斝（有纹饰大菌状帽）

商代青铜斝柱帽虽说较夏代晚期普遍变大，但其上的纹饰时有时无，与斝身的比例设计也不甚稳定。

到商代中期，有纹饰的菌状帽已是较为普遍的设计，此外又出现了体积更大的凸斗笠状柱帽

图22 商代中期兽面纹青铜斝（凸斗笠状柱帽）

到了殷墟时期，青铜斝柱帽在凸斗笠形状之上被设计的更高更大，例如殷墟五官北地M1墓出土的青铜斝，柱帽在青铜斝的整体中所占比例更大。

图23 殷墟五官北地M1出土青铜斝

根据观察，河北省博物馆展出的属商代中晚期的，出土于藁城台西的饕餮纹青铜斝（图24）^[8]的斝柱与柱帽之间有明显的铸焊接痕（图25）。

图24 藁城台西村出土饕餮纹青铜斝

图25 藁城台西村出土饕餮纹青铜斝柱与帽间铸焊痕迹

此外，有学者对殷墟妇好墓出土的11件青铜斝柱与帽的连接方式做过研究，认为这些柱帽全部是先铸好后置于陶范内再与斝柱和斝身铸接在一起的^[9]。由上文诸多铸焊连接例证可知，殷商时已完全具备先铸青铜斝柱帽，再将其置于范中与余部铸焊连接的技术能力。

2.由附件数量增多导致的铸焊连接

一般来说，青铜器造型设计得越复杂，附件的数量也就越多。从夏代到殷商，青铜器附件的数量整体呈增加的趋势。同时，需要铸焊连接的情况也随附件数量的增加而增加。

1938年出土于湖南宁乡的四羊铜方尊（图26）是商代晚期设计精巧、工艺精妙的多附件青铜礼器的典型代表。尊身四隅分设了四只羊头，羊头之上各有一对卷曲的羊角，羊头两两之间还设有突出于器身之外的龙头。由于造型太过精巧曾一度被认为是失蜡法铸件，后经仔细考证证实是由分铸法制造而成。铸造过程是先铸羊角，再将羊角嵌入羊头铸范内铸成带角的羊头；龙头也是事先铸好，与带角的羊头一起嵌入尊体的铸范内，最后再浇铸尊体，使尊体与各个附件的连接处形成冶金连接^[10]。

图26 商代晚期四羊铜方尊

五、商代铁刃铜兵器的铸焊连接

兵器类青铜器制造过程中的连接问题大都出现在复合材料的应用和连接上，使用复合材料的目的则是希望使兵器的刃部更加锋利。

1.早期复合材料兵器的制造

（1）新石器时代中晚期石刃骨器的粘接

现有考古发掘表明，中国古代复合材质兵器、工具的制造历史最早可上溯至新石器时代中晚期。那时是将石、骨材料复合制成石刃骨器（图27）。

图27 新石器时代的石刃骨器示例^[13]

有学者曾对当时石刃骨器的出土情况做过统计，发现地已达19处以上，器物至少已有86件之多^[11]。石刃与骨身的连接使用了粘合剂或填塞其他物质增强结合强度，其中甘肃鸳鸯池发现的黑色胶粘质经科学鉴定为有机化合物，属于天然生成的物质^[12]。可见最早由石骨复合而成的器物是利用天然胶质粘接在一起的。

（2）铜石并用时代骨柄铜器的嵌合

铜石并用时代出现了骨柄铜刃兵器，如图28和图29所示。这些铜刃骨器均属齐家文化（约公元前2200年至公元前1800年）。可见此时部分地区已能够冶炼少量锡青铜并代替细石叶与骨器连接制造兵器和工具，并很可能已经认识到锡青铜较细石叶更锋利、更适合为刃。骨柄与铜刃的连接应为嵌合，或借鉴石刃骨器的粘接连接方法。由于缺少更科学的鉴定结果，目前只能做此推测。

经过定性分析，刀刃为锡青铜^[14]。

图28 甘肃临夏县采集骨柄铜刃刀

骨柄铜刀和两件骨柄铜锥。

同墓葬还出土了有使用痕迹的铜刀^[15]P314。

图29 青海互助土族自治县总寨乡出土骨柄铜器^[15]P313

2.商代中后期陨铁青铜复合兵器的铸焊

进入青铜时代以后，祭祀的容器和战争的兵器率先出现了青铜化发展。于是象征军事权力的斧钺便由原来的石质、玉质变为青铜质斧钺。商代以后，由于古代工匠发现了陨铁比青铜硬度更强，更适合作为兵器的刃部，制作了以陨铁为刃青铜为身的复合材质青铜兵器。目前发现的属商代陨铁刃青铜兵器约有4件（见表1）。

表1 已出土商代陨铁刃青铜兵器及连接特征

出土地点及时间	器物名称	数量	年代	连接特征
1931年河南浚县	铁刃铜钺	1	约商代中期或商末周初	铁刃上造凹坑铸接
1931年河南浚县	铁刃铜戈	1	约商代中期或商末周初	铁刃上造凹坑铸接
1972年河北藁城	铁刃铜钺	1	安阳小屯早期	铸焊
1977年北京平谷	铁刃铜钺	1	郑州二里岗上层	铸焊

其中河南浚县出土的两件陨铁刃铜兵器早年间已流失海外，且对其所属年代的鉴定也有争论，最初判断为西周^[16]，近年的观点认为其约属商代中期或商末周初时期^[17]P983。浚县铁刃铜钺（图30）的刃和身的连接方式比较特别，据X射线的检测结果，锻制铁刃时在预连接处制造了凹坑，之后将铁刃置入陶范（铸型），浇铸青铜钺身时利用铜液流入凹坑后冷凝形成的扣合结构实现连接^[18]，研究者并未指出铁刃与铜身之间是否存在焊合结构。

图30 河南浚县出土铁刃铜钺^[17]P984

而河北藁城出土的铁刃铜钺（图31）刃与身的连接方式与河南浚县的铁刃铜钺不同。据研究，陨铁刃是先热锻为2mm的薄刃片，由于陨铁在高温时具有不同的变形能力，热锻加工会使其边缘出现易变形和不易变形的分层毛边，将这样的陨铁薄刃放入陶范（铸型）后再浇入青铜熔液，由于青铜熔液良好的铸造性能和对铁金属良好的润湿作用，深入陨铁刃的毛边缝隙，于是形成了铁与青铜之间相互渗透的连接层，冷凝之后接合十分牢固。河北藁城的铁刃铜钺年代约为殷商安阳小屯早期，即公元前14世纪前后^[19]，应属商代中期。

图31 河北藁城出土商代中期铁刃铜钺

北京平谷刘家河出土的铁刃铜钺（图32）较河北藁城铁刃铜钺的体积约小三分之一，但墓葬年代与后者的墓葬年代相差不远，相当于郑州二里岗上层，即商代中期。经分析鉴定，北京平谷所出铁刃铜钺的铁刃包入铜内的根部残存1cm，经推断其整体的制造方式也与河北藁城铁刃铜钺类似，先热锻陨铁为2mm左右的薄刃，再与青铜浇铸连成一体，只是北京平谷的铁刃铜钺一面平，一面微凸，可能为单范浇铸而成^[20]。

图32 北京平谷刘家河出土商代中期铁刃铜钺

这4件商代陨铁青铜兵器，除河南浚县的两件因流落海外不便研究外，对于其余2件铁刃铜钺的连接，多数学者认为陨铁刃与青铜身之间形成的是“熔合”“焊合”的连接结构^[21]。根据扫描检测结果，热锻陨铁的边缘毛边缝隙为微米级别，青铜熔液流入后出现了润湿效果，因而形成的连接结构是微米级别的铸焊连接。虽然以现代焊接标准青铜和铁之间的冶金连接应至少在埃米级别，但对于商代中期青铜和陨铁之间以润湿效果形成的紧密接合，我们认为在当时已属于十分先进的紧密连接结构。学界许多学者称其为“铸焊连接”还是十分恰当的。焊接，本就是以紧密接合为目的的工艺，商代中期的中国青铜兵器已能选用更适合为刃的陨铁制造兵器的刃部，并热锻至2mm，且在与青铜熔液的铸造接合中形成微米级别的连接结构，这本身就是一项具有划时代意义的技术进步。