以我国铁路运营高速化、重载化，钢轨伤损日益严重为工程背景，针对磨损钢轨表面在线修复过程中工作效率低、资源浪费大、焊补层冲击韧性不够、修复质量不易保证等问题，深入分析了钢轨损伤机理以及钢轨磨损表面修复工艺的优缺点，提出了激光填丝修复磨损钢轨表面的技术。利用ANSYS有限元软件对钢轨表面激光填丝修复工艺进行温度场数值模拟，弥补了温度分布无法实时监控的不足。通过对焊补层进行温度场模拟，为试验工艺参数优化奠定了基础。搭建一套激光填丝修复试验平台，利用大功率的CO2气体激光器作为焊接热源，采用侧向送丝的方式对钢轨磨损表面进行修复。通过对钢轨表面激光填丝工艺进行可行性试验，得到良好的焊缝形貌。针对焊补层试样的微观组织观察和相关力学性能评定，确定最优的U71Mn型钢轨表面激光填丝修复工艺参数为：激光功率3.5kW、扫描速度3mm/s和送丝速度5mm/s，光斑直径2mm，送丝角度30°，预热温度250℃，回火温度400℃。对激光焊道之间的回火作用进行了试验研究，结果表明激光焊道之间存在的回火热处理效应能够起到细化晶粒、改善焊缝区组织性能的作用。采用400℃中温回火工艺能快速消除激光焊补层中残留的马氏体，焊补层平均硬度降低至367HV，从而保证钢轨修复表面的硬度达到相关技术标准。