本文首先研究了钢轨损伤机理,对钢轨电弧焊在线修复技术的优缺点进行了对比,并对以CO2激光器作为热源的钢轨表面填丝修复技术中功率不够、吸收较少等不足进行了具体分析。利用激光器、机器人和送丝机组建的激光填丝修复试验平台,采用侧向送丝的方式对钢轨磨损表面进行单道修复试验。通过对修复层表面的形貌和微观形貌进行观察,确定了最优的U71Mn型钢轨表面激光单道填丝修复工艺参数。利用得到的最优激光单道填丝修复工艺参数,在钢轨表面进行了激光多道和多层填丝修复试验。通过对修复层表面形貌以及微观组织进行观察分析,得到最优的U71Mn型钢轨表面激光多道填丝修复搭接率与激光多层填丝修复方式。对三组试验中的修复层组织进行了硬度检测,同时也对激光焊道间的回火作用进行了深入分析,结果表明激光焊道之间存在回火作用,能够有效地改善焊补层组织,降低组织硬度。为使修复层组织硬度降低,消除残余马氏体组织,本文对修复层组织进行了不同温度的回火热处理,有效地提高了钢轨表面修复层质量,满足钢轨焊补技术要求。根据激光填丝修复试验过程,提出了多种钢轨在线修复装置设计方案,最终选用四轮错排式单轨修复装置为最佳设计方案。