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钢轨在使用过程中由于列车运行及自然条件影响会出现剥离掉块等缺陷,为节约成本及减少运行“天窗”通常采用堆焊焊接修复。由于钢轨材料多为高碳合金钢,碳当量大,淬硬倾向大,焊接修复后易于出现冷裂纹,常规修复方法通常采用焊前预热+焊后缓冷的方式,但却加大成本及工序。由此,本课题提出制备一种免预热及后热的堆焊焊条,意在解决常规修复方式的不足。基于U75V钢轨材料分析其焊接特点及焊接性,从控制冷却速度对焊接修复熔池凝固过程中的影响机理进行分析,得出控制焊接后的冷却速度可以得到更多的珠光体组织及贝氏体组织,得到优良焊缝,采用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）研究焊后开裂原因。结果表明:冷却速度过大,热影响区出现具有显微裂纹的高碳片状马氏体是开裂原因。对免预热焊接做了可行性分析,开发出了以CaO-CaF2-SiO2为基础渣系、以Cr-Mo-W为基础合金系并辅以Ni、V、Ti等合金元素强化、以钾钠水玻璃为粘结剂的免预热堆焊焊条,并采用了正交试验优化配方设计,得到满意配方;在免预热及后热条件下分别在两种焊接参数下焊接,制备了具有板条马氏体加残余奥氏体的堆焊层、具有下贝氏体组织的熔合区及具有板条马氏体及粒状贝氏体的热影响区组织,硬度检验表明堆焊层在约为330HV、熔合线及热影响区约为420HV。基于SYSWELD软件,对U75V钢轨焊接修复温度场及应力场进行模拟计算,并利用K型热电偶及无纸记录仪测量实际热循环曲线,两者能较好吻合;通过对应力场的模拟计算,结果表明:钢轨表面σX方向焊缝及焊缝中心位置可达350MPa520MPa,远离焊缝拉应力逐渐降低,σY方向残余应力与其他两方向上应力比较可以忽略,σZ方向在焊缝区域都为拉应力,随焊缝距离增加逐渐减小,远离焊缝区域为压应力;模拟了长钢轨在不同焊接电流下的焊接残余应力分布,确定最佳焊接电流区间为120A140A。采用HT-1000高温摩擦磨损试验机测试不同电流下所制备堆焊层摩擦磨损行为,从磨损量及摩擦系数进行了分析,并采用SEM、激光共聚焦扫描显微镜分析磨痕形貌。结果表明:自制备堆焊层在焊接电流为140A时耐磨性强于U75V钢轨母材,100A及160A时与母材相近。通过冲击试验,验证了自开发免预热焊条所制备的堆焊层在所选定焊接工艺参数下的冲击韧性强于U75V钢轨母材,并且随着电流的增加,堆焊层的冲击韧性不断下降,在100A时冲击吸收功为31.5 J,冲击韧性最好。