Тип и конструкция катода (“–“ на электроде) плазмотрона определяется составом плазмообразующей среды, а также применяемой полярности тока. При работе в среде инертных и нейтральных газов применяются катоды из вольфрама (водород, азот, аргон и их смеси). Основной характеристикой материала катода являются эмиссионные свойства, которые определяются работой выхода электронов. Чем выше эмиссионные свойства (чем меньше работа выхода), тем лучше решаются задачи охлаждения катода и стабилизации дуги.

Наибольшим ресурсом работы обладают электроды из легированного вольфрама. В зависимости от сварочного тока ресурс может исчисляться десятками часов. Чистый вольфрам обладает низкими эмиссионными свойствами, поэтому в вольфрам добавляют лантан, торий или иттрий. Легирование вольфрама позволяет снизить напряжение выхода электронов с его поверхности, что в свою очередь позволяет снизить температуру эмиссии с поверхности электрода и одновременно упрощает поджигание дежурной дуги. Все это благоприятно сказывается на сроке службы электрода. Однако электрод из вольфрама практически не работает в кислородосодержащих средах, так как при повышенных температурах вольфрам окисляется и быстро разрушается. Поэтому для работы в плазмообразующих средах содержащих кислород были разработаны катоды со вставками из циркония и гафния (термохимические электроды).

Поскольку физические параметры циркония и гафния значительно уступают вольфраму, вставку помещают заподлицо в медную державку. При выходе плазмотрона на режим резания, в результате теплового воздействия дуги, на поверхности вставки образующаяся тонкая пленка, из расплавленных оксида и нитрида циркония (гафния), защищает металл вставки. Но в момент образования дуги пленка на вставке отсутствует, поэтому катоды наиболее подвержены разрушающему действию в момент поджига дуги, ввиду интенсивного испарения материала вставки. Кроме этого поверхность вставки, работавшего электрода покрыта остывшей указанной пленкой, физические и механические характеристики, которой отличаются от основного металла. Разница в коэффициенте линейного расширения приводит к напряжениям в образовавшейся пленке и появлению трещин в ней, это является причиной увеличенной эрозии материала вставки при следующем зажигании дуги. На токах выше оптимальных, вследствие увеличенного тепла во вставку, ресурс электрода резко снижается.